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Retranscription de l’interview de Jean-Pierre Luminet, réalisée dans l’épisode 211. Retranscription réalisée par Stephanie. Un immense merci à elle, c’était vraiment un gros boulot.

 

 

Johan : Terry Pratchett nous a quitté il y a deux semaines. J’ai découvert à cette occasion que cet auteur reconnu de fantasy avait aussi écrit des livres de vulgarisation, avec un humour certain. Ainsi, en parlant de la célébre formule d’Einstein, sans l’écrire, il précise en note de bas de page :

* On dit que chaque formule scientifique divise les ventes d’un livre de vulgarisation scientifique par deux. Foutaises ; si c’était vrai, il ne se serait vendu qu’un huitième d’exemplaire de “L’esprit, l’ordinateur et les lois de la physique” de Roger Penrose, alors qu’on parle en réalité de plusieurs centaines de milliers.

Toutefois, au cas où la légende aurait un fond de vérité, nous avons choisi de décrire cette formule ainsi pour doubler nos ventes potentielles. Vous la trouverez écrite sous forme symbolique à la page 37 d’“Une brève histoire du temps” de Stephen Hawking – d’ailleurs, si la légende est vraie, il aurait pu en vendre deux fois plus, ce qui donne le vertige.

Ce soir nous recevons Jean Pierre Luminet, pour parler de son livre sur les trous noirs (en particulier) «Le destin de l’univers » écrit sans aucune formule. Nous sommes les 24 Mars 2015, c’est l’épisode 211 et vous êtes sur podcast science.

Nico : Bonsoir et bienvenue à tous, pour l’occasion, ce soir, Podcast science s’est délocalisé à Marseille pour se rapprocher de notre invité, du coup on a une vraie table physique à Marseille et autour de notre table on est réuni avec Julie qui elle ne vient pas de très loin, de Nice. Johan qui a fait le déplacement depuis Baltimore (pas que pour ça il faut l’avouer) et donc Jean-Pierre Luminet (JPL). Autour de la table virtuelle : Robin depuis Paris et Irène depuis Santa Barbara. Au programme de l’émission de ce soir : c’est une interview de JPL principalement au sujet de son dernier livre et plus précisément autour des trous noirs. Pour commencer, Johan va nous présenter JPL.

Johan : Jean Pierre Luminet, vous êtes directeur de recherche au CNRS, vous avez fait la majeure partie de votre carrière au Laboratoire Univers et Théories de l’observatoire de Paris-Meudon. Vous êtes maintenant au laboratoire d’astrophysique de Marseille. Pour résumer rapidement votre carrière et tout ce que vous avez fait en recherche : vous avez beaucoup étudié les trous noirs et leur environnement, simulant notamment l’image d’un disque de poussière orbitant un trou noir ou son effet sur une étoile passant à proximité. Enfin vous étudiez plus particulièrement maintenant la topologie de l’univers en particulier par l’étude du fond diffus cosmologique. Cependant, votre brillante carrière de chercheur vous a aussi laissé le temps d’écrire plusieurs livres de vulgarisation scientifique [et pas que], parmi lesquels

Le destin de l’univers, Tome 1

C’est un exploit d’écrire ce livre sans aucune formule, surtout les équations de Penrose, surtout que vous décrivez quasiment l’histoire de la plupart des grandes théories scientifiques depuis Galilée, car chacune à son importance l’une après l’autre pour la description de ces objets que sont les trous noirs. Le livre est extrêmement complet. Mais comme Nico et moi avons un train dans 12h, on va se limiter aux trous noirs seulement ce soir et en particulier sur ce que l’on peut apprendre dans Le destin de l’Univers.

Nico : On va rentrer tout de suite dans le sujet sur les trous noir. Avant de commencer à lire la première version de votre livre sur les trous noir, j’avais un peu ce qu’on peut appeler une connaissance “grand public” de ces objets que sont les trous noirs, voir même, après avoir lu votre livre, une connaissance Newtonienne du trou noir. Je savais qu’il y avait une vitesse minimale pour quitter une planète, une vitesse de libération, et que les trous noir étaient des astres tellement massifs que cette vitesse de libération était plus grande que celle de la lumière ce qui faisait que rien ne pouvait en sortir, ils étaient donc noirs, vraiment noirs. J’avais aussi entendu parler de “Singularité” sorte de point de masse infinie, souvent représentée par un trou tendu à l’extrême dans la nappe de l’espace-temps. A la lecture de vos livres je vois que ce n’est pas tout à fait ça, voir pour certains éléments pas du tout et donc pour commencer, comment est-ce que vous présenteriez et définiriez un trou noir ?

Déformation de l’espace-temps par un trou noir.

JPL : C’est vrai qu’il est toujours intéressant de se plonger dans l’histoire d’ailleurs l’un de mes plaisirs dans l’écriture de ce gros livre “Le destin de l’univers” c’est également de développer beaucoup d’aspects historiques et également des aspects culturels, littéraires etc. autour de l’imaginaire qu’on peut avoir sur les trous noirs. Pour en revenir directement aux aspects historiques, comme vous l’avez rappelé, l’idée d’un astre dont la gravité est suffisamment forte pour emprisonner éventuellement les rayons lumineux n’est pas une idée relativiste. C’est une idée purement Newtonienne puisqu’elle a été émise dès la fin du XVIIIe siècle par des astronomes qui ont fait le raisonnement selon lequel : si la lumière est influencée par la gravitation, ce que Newton croyait, au dessus d’une certaine masse ou d’une certaine densité en tout cas, la vitesse de libération, à la surface d’un astre qui est facilement définissable en mécanique classique, dépasse la vitesse de la lumière. Auquel cas les rayons lumineux restent piégés ou en tout cas ils ne peuvent pas s’échapper ou ils retombent un peu comme les jets d’eau d’une fontaine. C’est une vision qui parait aujourd’hui un peu naïve, mais malgré tout elle permettait déjà à l’époque d’imaginer un peu le profil typique d’un astre capable de retenir les rayons lumineux. Ce profil c’est soit un astre extraordinairement massif ou soit éventuellement un astre extrêmement dense. Il a fallu attendre la relativité générale d’Einstein pour réellement donner un peu plus de matière, de chair et de corps à cette idée d’astre invisible, qui d’ailleurs avait été un peu oubliée pendant deux siècles. Je rappelle qu’entre temps les théories sur la lumière de nature plutôt ondulatoire avaient exclu l’idée que la lumière puisse être influencée par la gravitation. Il a fallu attendre la relativité générale pour revenir sur cette idée et à partir de là, imaginer l’existence d’astres pouvant retenir les rayons lumineux. Cette fois-ci ce n’est plus directement la gravitation Newtonienne qui agit, c’est la courbure de l’espace-temps puisque vous savez très bien qu’en relativité générale on décrit la gravitation non plus comme une force d’attraction mais comme une manifestation naturelle de la courbure de l’espace et du temps qui est engendrée par la distribution des corps massifs. Lorsque l’on veut transposer sans les écrire et visualiser les équations d’Einstein, vous prenez un tissu élastique, je le fais régulièrement dans mes conférences, je découpe un petit morceau de bas résille et je mets des boules dedans et on voit bien que lorsque la boule est plus dense, la maille du bas symbolisant le trajet des rayons lumineux est plus étirée, la déformation du bas est plus grande. Le cas extrême c’est un corps qui va atteindre une taille ou une masse critique qui sera donc le trou noir, qui va creuser un véritable puits dans le tissu élastique de l’espace-temps qui est une zone de non retour. La grosse différence entre le trou noir et les astres effondrés que sont les naines blanches et les étoiles à neutrons qui sont bien connues comme stades terminaux de l’évolution des étoiles, cette différence c’est que les astres ordinaires ont une surface solide et matérielle alors que le trou noir n’en a pas, c’est réellement un puits et l’on a seulement ce qu’on appelle la frontière d’un trou noir, ou horizon des évènements : horizon parce qu’on ne peut pas voir les évènements de l’espace-temps qui se passent au delà [pour un trou noir sans charge et sans rotation, on parle aussi d’Horizon de Schwarzschild et le rayon de cet horizon est appelé rayon de Schwarzschild]. Cette frontière est immatérielle, c’est une zone de l’espace-temps dans laquelle si on rentre, on est capté, capturé par la courbure d e l’espace-temps irréversiblement, même si on est un rayon lumineux. C’est ça le trou noir, il y a d’ailleurs souvent une confusion sur l’idée qu’un trou noir est une singularité. La première question qui se pose naturellement lorsqu’il y a un effondrement gravitationnel de ce type là, c’est comment se comporte la matière ? Est-ce que tout s’écrase en un point de densité infinie ? Le premier raisonnement, les premiers calculs un peu naïfs disent que oui. Mais en fait le trou noir, en tant que zone de l’espace-temps qui va fonctionner comme un piège à matière et lumière, se forme avant cette singularité puisqu’il forme un horizon des évènements qui, je le répète, est une frontière immatérielle, géométrique, de l’espace-temps. Vu de l’extérieur, c’est par exemple une région délimitée par une sphère, si le trou noir n’est pas en rotation, il est statique, il est parfaitement sphérique et donc cet horizon des évènements est délimité par une sphère, si on rentre dans la sphère on ne peut plus en sortir, en tout cas par le chemin direct.

Coupure de son dans le podcast, par Inti

Nico : Il y a deux choses que je relève dans ce que vous venez de dire, commençons par la fin : on ne peut pas en sortir par le chemin direct. C’est à dire qu’il n’y a rien qui sort du trou noir ?

JPL : J’anticipe des questions qui vont arriver immanquablement par la suite. Il y a deux aspects, d’abord les mathématiques du trou noir puis l’astrophysique que l’on peut en tirer. Que peut-on tirer comme informations du trou noir lorsque l’on est à l’extérieur du trou noir et après que se passe-t-il si on plonge à l’intérieur ? La deuxième question est plus difficile que la première. La première avait intéressé notamment les astronomes et les astrophysiciens, elle intéresse aussi les physiciens théoriciens puisque l’une des propriétés extraordinaires de ces objets fascinants que sont les trous noirs, c’est que vu de l’extérieur, lorsqu’ils sont à l’équilibre, toutes leurs propriétés se résument à seulement trois paramètres. Ce qui est extraordinaire, si vous voulez décrire exactement la configuration totale de n’importe quel objet naturel, ne serait-ce que pour un simple morceau de sucre par exemple, il vous faut des milliards de paramètres.

Nico : Et puis même les autres étoiles etc. ont beaucoup plus de paramètres.

JPL : Bien entendu. Avec le trou noir, tout se simplifie d’une certaine façon, et ça amène à des considérations extrêmement profondes de physique sur la quantité d’informations qui est avalée dans un trou noir. L’essentiel de toutes les propriétés et informations que l’on a sur la matière qui constitue un trou noir ou qui forme un trou noir ou qui tombe dans un trou noir une fois le trou noir formé est perdue et il ne subsiste que trois paramètres qui sont : la masse, ce qu’on appelle le moment angulaire qui est relié à une quantité de rotation et une charge électrique, ça c’est sur le plan théorique, parce que dans les situations réelles très vraisemblablement les trous noirs astrophysiques sont électriquement neutres et donc les trous noirs naturels ne dépendraient  que de deux paramètres, la masse et le moment angulaire, on appelle ça des trous noirs de Kerr. Ca c’est pour l’extérieur, on verra après de quelle façon les astronomes peuvent détecter indirectement des trous noirs. Pour répondre très brièvement, parce que je pense qu’on y reviendra, à la première partie de la question, que se passe-t-il à l’intérieur d’un trou noir ? De deux choses l’une, soit la matière s’entasse indéfiniment dans une singularité de courbure, une sorte de nœud de l’espace-temps, c’est la solution la plus simple. Il existe une solution mathématique fascinante qui s’appelle la solution du trou de ver (wormhole en anglais), dans lequel le fond d’un trou noir n’est pas bouché, mais est une sorte de connexion qu’on appelle un pont dansant, enfin il y a plusieurs dénominations de cela parce que ça a été beaucoup étudié sur le plan théorique.

Le trou de ver d’Interstellar

Nico : Sur le plan fictionnel aussi.

JPL : Ca a été archi utilisé évidemment pour la science-fiction puisque ces structures-là permettraient de faire communiquer une région de l’espace-temps qui serait un trou noir avec une autre région de l’espace-temps qui serait une sorte d’anti trou noir qu’on appelle un trou blanc, qu’il vaudrait mieux appeler une fontaine blanche,  c’est à dire plutôt un jaillissement spontané d’énergie hors d’un horizon des évènements. Le passage entre les deux, le trou de ver donc, ferait office de raccourci pour voyager dans l’espace-temps. C’est à dire que si on emprunte ce trajet, en admettant que l’on puisse réellement l’emprunter, que le trou de ver ne soit pas bouché, qu’on ne soit pas détruit par les forces de gravitation, etc., scénario typique pour la SF, on s’aperçoit qu’on pourrait aller d’un endroit à l’autre de l’espace et du temps, en s’affranchissant un peu de la limitation de la vitesse de la lumière que l’on connait dans l’espace-temps ordinaire. Cela ne veut pas dire que l’on dépasse la vitesse de la lumière lorsque l’on est dans un trou de ver. Il y aurait des déformations topologiques étranges de l’espace et du temps qui connecteraient, par l’intermédiaire de ces trous de ver, des régions qui dans l’espace normal hors trou noir, seraient extrêmement éloignées les unes des autres. Mais je pense que l’on développera ce sujet par la suite.

Nico : Sur les trous de ver on n’avait pas prévu de développer énormément, peut-être qu’on peut juste en dire deux mots. De ce que j’ai compris des différentes lectures etc. c’est qu’a priori les trous de ver c’est très spéculatif et qu’il y aurait de grandes chances que ce ne soit pas du tout stable un trou de ver.

JPL : Oui c’est tout le problème des trous de ver, vous savez les équations de la physique, dont la relativité générale bien entendu, sont décrites par des équations mathématiques, après vous en cherchez des solutions. En général même si on trouve des solutions exactes elles correspondent assez rarement à une réalisation physique dans l’univers.

Nico : Un exemple que vous donnez souvent c’est que dans la plupart des équations physiques on peut inverser le temps.

JPL : Par exemple oui, alors que des principes physiques tels que la causalité disent que ce genre de choses est interdit même si c’est formellement permis dans les équations . Ce pourrait être le cas de ces structures fascinantes que sont les trous de ver qui je le répète sont des solutions mathématiques parfaitement pertinentes associées aux trous noirs en rotation. Car dans un trou noir qui ne tourne pas, on sait que le trou de ver qu’il y a est forcément bouché, c’est à dire qu’il y a une singularité qui l’étrangle au milieu. En revanche un trou noir qui tourne pourrait permettre que la singularité ne soit plus un nœud ponctuel mais un genre d’anneau à l’intérieur du trou noir. Si vous avez un anneau au lieu d’un point, vous n’avez plus un point d’étranglement, vous pouvez éventuellement survoler l’anneau ou alors passer à travers et donc éviter les forces de courbure infinie c’est à dire éviter la singularité. Pour aller où ? Certains trajets suggèrent, a priori je le répète, que l’on peut ressortir dans l’espace et le temps voir même dans d’autres univers si on fait l’hypothèse de multivers, en faisant office de raccourcis. Ça c’est la solution mathématique idéalisée, dans l’univers physique, on pense que si les trous de ver peuvent réellement se former, ils sont très probablement instables, ce sont des structures gravitationnelles. Le seul fait de pénétrer dedans introduit une perturbation gravitationnelle qui va très vraisemblablement, d’après des calculs mathématiques, perturber le trou de ver au point de le fermer et le boucher. Donc il se pourrait que même dans la situation déjà un peu idéalisée où un trou de ver existe réellement et est ouvert, le seul fait d’y faire pénétrer, ne serait-ce qu’une seule particule élémentaire, on y pénètre à une vitesse qui tend vers la vitesse de la lumière. En fonction de E=mc^2 on sait que quand on tend vers la vitesse de la lumière, la masse effective, la masse de mouvement augmente, ça cause une énergie, donc ça engendre la gravitation et une perturbation gravitationnelle tellement forte que le trou de ver a spontanément tendance à se boucher avant qu’on puisse le traverser. Ce n’est donc pas très favorable, pas très positif, un peu dommage pour la SF qui rêve évidemment d’utiliser ces portes des étoiles comme dans Stargate, comme on l’utilise souvent dans les nouvelles et films de SF. Mais les gens qui ont travaillé sur le sujet, notamment Kip Thorne, et quelques autres, vous savez, les théoriciens ont toujours des idées pour échapper aux contraintes des lois physiques, ils ont imaginé qu’on pourrait éventuellement stabiliser et maintenir ouvert un trou de ver en le tapissant d’énergie négative. Qu’est-ce que cela veut dire l’énergie négative ? En fait ce sont des champs de force qui existent sur le papier, ça existe  peut-être même dans l’univers, par exemple l’énergie du vide ou les champs de quintessence ou autres qui pourraient fournir une explication à ce qu’on appelle l’énergie noire. Ce sont effectivement des champs répulsifs, c’est à dire une sorte d’antigravitation, et ce serait pour ça que l’expansion de l’univers est actuellement en accélération. Le même type de champs ayant des propriétés analogues, répulsives, injectés dans un trou de ver pourraient l’empêcher de s’effondrer gravitationnellement puisque ça introduirait de l’antigravitation. Là on est vraiment aux limites des équations très théoriques imaginant ce type de champs de force, après la manière dont on pourrait les injecter dans un trou de ver, ça relève de la SF, mais pourquoi pas !

Nico : Pour l’instant on n’a rien qui va dans ce sens mais on n’a rien qui contredit.

JPL : On a envie d’y croire, ne serait-ce que parce que quand on pense aux voyages interstellaires pour ne pas parler de voyages intergalactiques, si ce genre de structures n’existent pas, on est irrémédiablement limités par la vitesse de la lumière et les immenses distances qui nous séparent des astres lointains. On peut se dire qu’on ne sortira jamais de notre petite boîte “système solaire” et éventuellement quelques étoiles proches, parce que sinon il faudrait trop de temps pour se déplacer d’un point à l’autre de l’univers. Les trous de ver traversables représenteraient finalement le seul moyen de réellement s’affranchir de ces distances gigantesques et d’explorer déjà au moins la galaxie et peut-être  éventuellement même d’autres galaxies.

Nico : Pour revenir sur des choses qui font peut-être plus consensus…

JPL : Oui parce que ceci n’est que quelques paragraphes de mon énorme livre qui parle de choses un peu plus établies.

Nico : Un autre élément qu’on a dans notre conscient collectif sur les trous noirs c’est que le trou noir c’est une sorte d’ogre qui avale tout, or de ce que j’ai pu comprendre il y a aussi des trous noirs qui ont tendance à perdre des choses voir même à s’évaporer.

JPL : Il y a deux choses, l’idée d’ogre cosmique c’est parce qu’effectivement, je l’ai dit au début dans la définition du trou noir, quand un objet rentre dedans, en principe il ne ressort pas donc ça veut dire que le trou noir absorbe et grossit en absorbant et en plus son pouvoir d’action augmente au fur et à mesure qu’il grossit, parce qu’en fait la taille d’un trou noir est directement liée à sa masse et donc son rayon d’action l’est également. Ogre cosmique effectivement puisqu’on connait l’existence de trous noirs géants qui sont au centre des galaxies et dont les masses peuvent faire plusieurs milliards de masses solaires (masse solaire = 1,989*10^30 kg), ces trous noirs sont capables de gober des étoiles entières, ce sont d’énormes structures, parce qu’un trou noir de plusieurs milliards de masses solaires a corrélativement un rayon de plusieurs milliards de kilomètres. Un de ces trous noirs géants, que l’on a déjà détecté dans des galaxies lointaines, si on le mettait dans le système solaire, il engloberait celui-ci tout entier, et on conçoit volontiers qu’une étoile à côté c’est une petite structure et elle pourrait être avalée directement. Il y a un processus un peu plus intéressant que j’ai d’ailleurs pas mal étudié, c’est lorsqu’une étoile au lieu de rentrer directement, frôle le trou noir géant, auquel cas elle est soumise à des effets appelés effets de marée, des effets de gravitation différentielle, qui font qu’elle pénètre dans un espace-temps extrêmement déformé et donc que l’objet lui même qui est dans l’espace est déformé. L’étoile est donc étirée dans certaines directions et comprimée dans d’autres.

Nico : Elle fait une crêpe flambée c’est ça ?

JPL : J’avais développé avec mes collaborateurs Brandon Carter et quelques autres au début des années 80 le modèle qu’on avait fini par appeler la crêpe stellaire flambée puisqu’en mettant ça en équations, avant que l’on puisse observer quoi que ce soit d’ailleurs, on avait calculé que l’étoile durant son passage dans ce qu’on appelle le rayon de marée, était essentiellement aplatie dans le plan de son orbite sous la forme d’une sorte de crêpe gazeuse. Comme elle ne peut pas être indéfiniment aplatie, la température et la pression augmentent et elle finissait par chauffer et exploser. Donc on appelait ça des crêpes stellaires flambées avec la prédiction que ce genre de phénomène devrait donner lieu à des sortes d’éruptions de rayonnement qui ont effectivement été détectés 15 ans plus tard. Aujourd’hui c’est assez commun, chaque semaine les grands télescopes détectent ce genre de “flambées stellaires” dans des noyaux lointains de galaxies qui abritent des trous noirs géants et ce sont très probablement des étoiles brisées par les forces de marée. Tout ça illustre le côté ogre du trou noir, côté qu’il ne faut pas non plus exagérer parce qu’il y a quelque chose qui n’est pas connu du public mais qui est absolument fondamental en astrophysique c’est que si vous mettez un trou noir dans un milieu ambiant où il y a par exemple des étoiles, du gaz, etc., y a-t-il un frein à sa capacité d’absorption de la matière ? Et bien oui il y en a un ! Si vous prenez par exemple du gaz qui tombe dans un trou noir que ce soit sous forme d’un nuage sphérique ou sous la forme d’un disque d’accrétion de structure plutôt plate ou toroïdale autour du trou noir, évidemment il y a ce phénomène d’absorption qu’on appelle l’accrétion à un certain taux.

 

Disque d’accretion autour d’un trou noir, simulation numérique. Crédit : Jean-Pierre Luminet, Jean-Alain Marck

Mais il ne faut pas oublier que lorsque le gaz s’approche du trou noir, il est chauffé, en chauffant il émet du rayonnement, ce rayonnement sort, et il y a une pression de rayonnement sortante. Cette pression de rayonnement va modérer le taux d’accrétion, c’est à dire la quantité de matière qui peut tomber dans un trou noir. Il y a une sorte d’équilibre naturel qui s’établit, qui s’appelle la limite d’Eddington, du nom d’un astrophysicien britannique qui l’avait calculé non pas pour les trous noirs mais pour d’autres phénomènes typiquement liés à ces phénomènes d’accrétion, qui peuvent aussi se produire pour les naines blanches et les étoiles à neutrons. Un trou noir ne peut pas avaler de la matière à un rythme supérieur à une certaine limite critique, ce qui limite sa vitesse de croissance et d’augmentation. Ce phénomène est intéressant parce qu’on a très récemment découvert, d’ailleurs je n’ai pas pu en parler dans l’ouvrage parce que l’on ne l’avait pas encore découvert.

Nico : Ce sera dans le volume suivant, 2600 pages.

JPL: Voilà ! Prochaine édition. On a donc découvert un trou noir absolument gigantesque qui est situé dans une galaxie extrêmement lointaine, précisément un quasar. Je rappelle, les quasars ce sont des noyaux de galaxie extraordinairement actifs, la seule façon d’expliquer l’énergie phénoménale qui est libérée par ces quasars, c’est un trou noir géant qui absorbe de grandes quantités de gaz, par exemple plusieurs masses solaires de gaz par an. On a détecté et repéré à cause de la luminosité extrême de ce quasar, un trou noir dont on a estimé la masse à 12 milliards de fois la masse du soleil ! Le problème c’est qu’en général les quasars sont des objets plutôt lointains et celui-là est extrêmement lointain, il a été détecté à ce qu’on appelle un certain décalage vers le rouge extrêmement grand, un peu plus de 6, et quand on fait le calcul on s’aperçoit que ça veut dire que le trou noir qui est dans ce quasar s’est formé à peine 800 millions d’années après le Big Bang [Voir episode #216 de Podcast Science sur Hubble pour une description de ce que ce décalag vers le rouge veut dire]. On se pose la question suivante : comment se fait-il qu’un trou noir aussi gigantesque ait eu le temps de se former en un laps de temps aussi bref. Normalement, comme je viens de l’expliquer, le taux de croissance d’un trou noir est limité, même s’il absorbe beaucoup de matière, même s’il est dans un environnement extrêmement riche, comme c’était le cas probablement dans l’univers très jeune ou très primitif ou évidemment il y avait beaucoup plus de matière qu’aujourd’hui, en faisant le calcul on a du mal à expliquer comment un trou noir, même si initialement il peut faire quelques millions de fois la masse du soleil, peut multiplier sa masse d’un facteur mille en si peu de temps. On voit que cette histoire de taux d’accrétion limité ou pas pour les trous noirs pose des questions très intéressantes sur la formation et l’origine de ces objets.

En ce qui concerne la possibilité pour les trous noirs, au lieu de grossir, de perdre de l’énergie et de la matière, c’est un sujet absolument fascinant que je traite dans deux ou trois chapitres. On sort un peu de l’astrophysique traditionnelle parce que ça fait appel à un modèle théorique qui n’a pas encore été confirmé sur le plan expérimental, c’est l’hypothèse qu’on appelle les minis trous noirs. C’est l’hypothèse, imaginée dans les années 80 par plusieurs chercheurs, que peu après le Big Bang, des micros ou minis trous noirs, c’est à dire des trous noirs de tailles microscopiques, aient pu se former, non pas par le processus habituel normal astrophysique, c’est à dire l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive ou d’un amas d’étoiles, mais simplement par la pression extérieure énorme. On imagine le très jeune univers comme une sorte de plasma extrêmement dense et chaud, avec des fluctuations, et on peut calculer que dans certaines conditions, la pression extérieure puisse faire s’effondrer les fluctuations. Les fluctuations ou grumeaux ne s’effondrent pas sous leur propre gravité, qui n’est pas suffisante, mais sous la pression extérieure. Ça formerait donc ce qu’on appelle des trous noirs primordiaux, quand on fait des calculs on s’aperçoit qu’on peut avoir des trous noirs primordiaux extrêmement petits, à la fois en taille et en masse, et d’autres trous noirs primordiaux qui pourraient aller jusqu’à quelques millions de fois la masse du soleil. Les trous noirs primordiaux relativement massifs pourraient être un début d’explication pour ces trous noirs géants qu’on observe et qui sont apparu si tôt dans l’histoire de l’univers. En ce qui concerne les trous noirs primordiaux microscopiques, ils posent des questions absolument fascinantes. Un trou noir microscopique c’est un trou noir qui au lieu d’avoir des masses d’étoiles ou de millions de fois des masses d’étoiles, a la masse à peu près d’un astéroïde ou d’une montagne, 10^15 grammes disons, ça veut dire que la taille correspondante est à peu près celle d’un proton. Du coup, on a des objets qui sont également quantiques, ils ne peuvent plus être  décrits uniquement par les lois de la relativité générale. C’est connu, et je le raconte dans le livre, le célèbre Stephen Hawking a commencé par faire un calcul du comportement d’un mini trou noir primordial microscopique, il a eu la surprise initialement de s’apercevoir que ce trou noir se comportait différemment des trous noirs astrophysiques normaux et notamment qu’il pouvait perdre de l’énergie et s’évaporer, c’est l’évaporation quantique des trous noirs. C’est dû à l’introduction de phénomènes typiques de la mécanique quantique pour décrire l’espace-temps extérieur au trou noir, l’influence d’un champ gravitationnel très puissant sur l’espace-temps quantique produirait ce phénomène d’évaporation d’un trou noir. Ça veut dire que par exemple un trou noir primordial de 10^15 grammes, qui se serait formé quasiment au moment du Big Bang, aurait un temps de vie limité qui est de l’ordre de l’âge de l’univers actuellement connu, c’est à dire à peu près 14 milliards d’années. Ces trous noirs là seraient en train de s’évaporer aujourd’hui. On avait donc une belle théorie qui faisait une prédiction observationnelle. L’évaporation d’un trou noir, dans le stade final, c’est un énorme déversement d’énergie, des bouffées de rayons gamma, ce genre de choses, etc. Il y a beaucoup de bouffées de rayons gamma qui sont observées dans l’univers mais aucune ne correspond aux calculs de l’évaporation quantique d’un mini trou noir. L’absence d’observation pose une contrainte très forte sur la densité de micro trous noirs, en admettant qu’ils se soient bel et bien formés au cours du Big Bang, car pour l’instant rien ne le garantit, la théorie est séduisante mais rien ne la garantit. Donc ça limite la densité de micro trous noirs dans l’univers, ça veut dire il n’y a pas à s’inquiéter sur le fait qu’un micro trou noir pourrait débarquer comme cela, à l’impromptu, dans notre système solaire, passer près de la terre, en bouffer la moitié, ou traverser la terre de part en part, traverser le soleil etc. comme parfois certains l’ont imaginé, parce que si les micro trous noirs existent, il y en a très très peu, il y en a moins d’un par année-lumière au cube par exemple, et un micro trou noir, je le répète, ça a la taille d’un proton, pas plus. Je le répète les micro trous noirs sont fascinants au moins sur le plan théorique parce qu’ils donnent une idée sur la façon dont on peut mettre ensemble la relativité générale classique et la mécanique quantique et on voit justement avec ce phénomène d’évaporation qui va à l’encontre des idées classiques sur les trous noirs que dès qu’on introduit des phénomènes quantiques, et bien on a des comportements nouveaux. Ça a suscité une quantité de travaux extrêmement importants et pertinents sur l’évaporation des trous noirs. Quand un trou noir s’évapore, restitue-t-il toute l’information qu’il a absorbée ? Je disais tout à l’heure que l’une des grandes propriétés des trous noirs, c’est qu’un trou noir à l’équilibre de l’extérieur est caractérisé par trois paramètres, c’est donc un puits gigantesque d’informations puisque toutes les informations sur la matière dont il est constitué sont confinées dans le trou noir, on appelle cela l’entropie.

Evaporation de trou noir, par Puyo

Lorsqu’un trou noir s’évapore, on se pose naturellement la question, est-ce que cette information est restituée dans le rayonnement issu de l’évaporation du trou noir ou pas ? C’est une question qui n’est pas encore complètement résolue, ça a été l’objet de grands débats et grandes disputes entre différentes écoles. Il y avait l’école de Hawking qui initialement disait qu’il y avait une partie de l’information irrémédiablement perdue. D’un autre côté il y a l’école des physiciens quantiques (en physique quantique normalement l’information ne peut pas être perdue), qui disait que forcément, on devait récupérer toute l’information. Pour résoudre le débat il faut développer des théories de gravitation quantique et on sait qu’il y a des approches encore en construction comme la théorie des cordes, la gravité quantique à boucles, je consacre un petit chapitre dans le livre, c’est un peu le chapitre “extrême”.

Nico : Vous êtes même assez critique.

JPL : Oui oui. Ces théories sont donc développées pour essayer de résoudre cette question. La tendance semble pencher actuellement en faveur d’une information qui serait entièrement récupérée lors de l’évaporation d’un trou noir mais les choses ne sont pas complètement encore jouées.

Nico : Juste deux mots par rapport à cette évaporation, vous allez peut-être me contredire, autant les micro trous noirs ne sont pas prouvés, par contre le phénomène d’évaporation peut exister aussi dans les gros trous noirs mais est extrêmement négligeable c’est ça ?

JPL : Oui à partir du moment où c’est un phénomène essentiellement quantique, dès qu’on passe au niveau macroscopique, ce phénomène a tendance à s’effacer, sauf si on dispose d’un temps suffisant. Evidemment pour les trous noirs astrophysiques, ne parlons pas des trous noirs géants, actuellement ces phénomènes d’évaporation quantique sont totalement inexistants mais on peut imaginer, spéculer, des gens l’ont fait, des gens brillants comme Penrose notamment. Si l’on est par exemple dans un univers ouvert avec un temps futur quasiment infini, à la longue, les processus quantiques, quelles que soient leurs probabilités extraordinairement faibles, finiront par se produire, y compris l’évaporation de trous noirs géants. Mais dans des temps, pas infinis, mais extraordinairement démesurés par rapport à nos échelles.

Roger Penrose montrant un schéma de trou de ver en classe

Nico : Ok, je crois qu’on va parler un peu observation et comment on prouve qu’il y a des trous noirs.

Julie : Il semble exister beaucoup de sortes de trous noirs différents. A partir d’un moment dans le livre on ne parle plus de “candidats trous noirs” mais de trous noirs. Est-ce que c’est seulement théorique et s’ils existent où les trouve-t-on? Parmi les trous noirs qu’est ce qui reste à confirmer par l’observation?

JPL : Ce sont uniquement des arguments indirects parce que évidemment par construction on ne peut pas détecter directement un trou noir mais ce qu’on observe ce sont les effets particuliers que les trous noirs vont exercer sur leur environnement, par exemple sur un disque d’accrétion ou sur des amas d’étoiles dans lesquels ils peuvent se trouver, etc. Le statut observationnel des trous noirs a beaucoup évolué au cours de ces trente ou quarante dernières années, moi je me souviens quand j’ai commencé mes travaux sur les trous noirs c’était à la fin des années 70. Moi je venais de la physique théorique et des maths, ce qui m’intéressait c’était vraiment les propriétés mathématiques et physiques des trous noirs, en débarquant à l’observatoire de Paris-Meudon je voyais bien que les astronomes attendaient quelque chose d’un peu plus consistant sur l’existence des trous noirs. La première chose que j’ai commencé à faire c’est d’abord de m’amuser à calculer à quoi pourrait ressembler un trou noir entouré de structures lumineuses, disque d’accrétion, etc., si l’on pouvait voyager dans l’espace et s’en approcher suffisamment près. La deuxième phase c’était d’étudier des situations plus astronomiques, c’est à dire à quoi est-ce que cela pourrait ressembler de loin ? Il faut savoir qu’un disque de gaz autour d’un trou noir stellaire est chauffé dans ses parties internes à plusieurs millions ou dizaines de millions de degrés, et donc doit émettre des bouffées de rayonnements X. Tout ça se met en équation, on a des modèles de disque d’accrétion, on calcule le spectre du rayonnement qui est émis, on fait des prédictions, et c’est ce qui a été observé à partir de la fin des années 70, on a embarqué des télescopes à rayons X dans l’espace, et on s’est aperçu qu’il y avait des systèmes étranges qui sont appelés sources X binaires, c’est à dire des couples d’étoiles dans lesquels on ne voit qu’une composante dans le domaine électromagnétique ordinaire. Il y a des bouffées extraordinaires de rayonnements X  qui sont émises, vraisemblablement dues à l’accrétion de gaz sur un compagnon compact. Il faut savoir faire la différence entre une étoile à neutrons, qui peut être capable de produire le même type de phénomènes, et les trous noirs. Un ensemble de méthodes et de mesures permettent d’essayer de faire la différence entre une étoile à neutrons et un trou noir, c’est essentiellement une question de masse critique. On sait que les étoiles à neutrons ne peuvent pas dépasser une certaine masse critique de l’ordre de deux à trois fois la masse du soleil, quand on arrive à peser indirectement les composantes invisibles des sources X  binaires et que cette masse dépasse deux à trois fois la masse du soleil, on appelle ça un candidat trou noir. A la fin des années 70 on appelait ça des candidats, mais aujourd’hui on a des candidats tellement bons qu’on peut dire qu’ils ont passé leur examen et que ce sont réellement des trous noirs ! Sinon il faudrait remettre la physique et l’astrophysique à zéro pour interpréter ces objets.

Nico : En tout cas on n’a pas de meilleure explication aujourd’hui…

JPL : Parce qu’il n’y a absolument pas d’explication alternative, bon il y en a mais elles sont extraordinairement loin d’expliquer l’ensemble des phénomènes qui sont observés. Je donne ici l’exemple de trou noir de type stellaire, il faut dire que pour les trous noirs, a priori la théorie prédit l’existence de trous noirs de toutes tailles et de toutes masses. J’ai dit un mot sur les trous noirs microscopiques qui eux ce seraient formés potentiellement uniquement lors du big bang. Ensuite dans l’univers, l’évolution des étoiles nous apprend que les étoiles extrêmement massives peuvent développer un cœur qui va s’effondrer, avec une masse supérieure à la limite de stabilité des étoiles à neutrons, et donc ce cœur qui s’effondre, pour l’instant on a pas d’autre alternative astrophysique que la formation d’un trou noir de type stellaire, c’est à dire que sa masse va faire quelques fois la masse du soleil, mais elle ne va pas dépasser 50 fois la masse du soleil. On sait que les plus grosses étoiles ne font que 100-150 fois la masse du soleil, donc le cœur de ces étoiles est un peu plus petit. Ça ce sont les trous noirs stellaires. On détecte aujourd’hui essentiellement les trous noirs stellaires, je le répète, dans ces sources X  binaires, c’est à dire dans un couple d’étoiles. Initialement vous avez deux étoiles, une étoile peu massive qui évolue lentement et reste gazeuse très longtemps, l’autre étoile éventuellement plus massive, elle explose en supernova, en hypernova, son cœur forme un trou noir, et vous avez une phase dans l’histoire de ce couple stellaire où il y a une étoile qui reste à l’état gazeux avec un compagnon qui est un compagnon compact par exemple un trou noir. Le trou noir va commencer à fonctionner comme un véritable “aspirateur gravitationnel”, il va aspirer l’enveloppe gazeuse de la partenaire. C’est ce gaz là qui, arraché à l’étoile gazeuse principale, va spiraler autour du trou noir et avant de disparaître, va être chauffé à des millions de degrés et va émettre ces rayons X qui sont observés. Il y a également des trous noirs qu’on appelle trous noirs massifs, et des trous noirs super massifs. Les trous noirs massifs c’est à partir d’un million de fois la masse du soleil, les super massifs plusieurs milliards de fois, ces derniers sont sensés exister en un seul exemplaire au centre de quasiment chaque galaxie. Par exemple au centre de notre galaxie, la voie lactée, il y a une source de rayonnements qui s’appelle Sagittarius A* qui s’interprète aujourd’hui comme un trou noir relativement massif qui produit relativement peu d’énergie parce qu’il n’a pas beaucoup de nourriture, il a pu en avoir dans le passé mais actuellement il n’en a pas beaucoup, mais autour il y a des étoiles. C’est à dire que ce trou noir, donc la masse est aujourd’hui estimée à 4 millions de fois la masse du soleil, est au cœur d’un amas d’étoiles, ces étoiles là, on les voit au télescope, et on voit ces étoiles bouger.

Image d’animation de l’observatoire montrant les mouvements des astres que l’on a identifié autour du trou noir au centre de notre galaxie. En rouge le mouvement observé d’un nuage de gaz. Crédit : ESO/MPE/M. Schartmann/L. Calçada

Cela fait plus de 20 ans qu’on suit le mouvement de ces étoiles, on les voit bouger autour d’un centre de gravité invisible, mais on soupçonne qu’il y a là une masse qui les fait bouger, parce que les vitesses mesurées de ces étoiles sont anormalement élevées. La seule façon d’expliquer la dynamique globale de l’amas, c’est la présence d’une masse de 4 millions de fois la masse du soleil. Ca c’est un trou noir massif. Il y a donc aussi des trous noirs super massifs, dont les masses dépassent plusieurs milliards de fois la masse du soleil, et ces trous noirs sont également repérés dans de nombreuses galaxies. Je le disais tout au début, aujourd’hui les trous noirs de masses records ont été détectés par leurs émissions de type quasar, c’est à dire qu’ils sont les noyaux de galaxies extrêmement brillantes. Ces objets sont aussi extrêmement lointains. Les estimations de masse sont évidemment difficiles à faire, c’est fondé sur la luminosité des quasars etc., bref, actuellement le record semble être détenu par un trou noir qui fait 40 milliards de fois la masse du soleil. Je ne sais pas si vous imaginez, c’est quelque chose d’absolument gigantesque, phénoménal !

Julie : On a du mal à s’imaginer.

La galaxie du sombrero par Hubble. Dans les années 90, une équipe de chercheurs à montré qu’un trou noir super massif (masse supérieur à 1 milliard de masses solaires) se trouvait au centre de cette galaxie. Crédits : NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

JPL : La question se pose justement de comment des trous noirs aussi gros ont pu être créés. Ils ont  soit été dans des environnements extraordinairement denses, ou alors ils sont le résultat de la fusion de plusieurs trous noirs géants, parce qu’il ne faut pas oublier que les grosses galaxies se trouvent dans des amas de galaxies. Ces galaxies dans leurs amas sont généralement assez serrées, elles se tamponnent et entrent en collision. On a déjà des observations de galaxies en collision et en fusion qui ont commencé à mélanger leurs trous noirs. Chacune de ces deux galaxies a déjà un trou noir central gigantesque et lorsque les galaxies fusionnent, les deux gros trous noirs peuvent se mettre en orbite l’un de l’autre et puis en perdant de l’énergie par ondes gravitationnelles, ils vont finir par fusionner. Donc on peut quand même imaginer plusieurs grosses galaxies géantes qui ont fusionné et qui ont fini par mélanger leurs trous noirs centraux pour faire des trous noirs gigantesques. Mais ça pose donc des questions intéressantes sur la formation de ces trous noirs absolument géants sur des échelles de temps nécessairement inférieures à l’âge de l’univers.

J’ai oublié un cas intermédiaire, qu’on appelle justement les trous noirs de masses intermédiaires, ce serait des trous noirs dont les masses seraient de quelques milliers de fois la masse du soleil. Ce ne sont donc pas des trous noirs stellaires, ce ne sont pas des trous noirs super massifs au sein des galaxies, on pense qu’ils pourraient se trouver au centre de certains amas d’étoiles très serrés qu’on appelle les étoiles globulaires. Les astrophysiciens ont longtemps douté de l’existence de ces trous noirs de masses intermédiaires, mais aujourd’hui on commence à avoir des observations relativement convaincantes sur les trous noirs de masses intermédiaires mais qui seraient en relativement petit nombre.

Pour résumer, dans une galaxie donnée, vous avez un trou noir géant, en général, à part pour quelques galaxies irrégulières comme les Nuages de Magellan, mais une galaxie à peu près typique a un trou noir géant au centre, un seul. Dans le reste de la galaxie, qu’elle soit elliptique ou spirale ou autre, vous avez des dizaines de millions de trous noirs stellaires, et puis dans quelques uns des amas globulaires dans deux, trois ou quelques dizaines d’amas au maximum, il y a des trous noirs de masses intermédiaires. Donc la règle commune ce sont les trous noirs stellaires, ça vous parait beaucoup plusieurs dizaines de millions de trous noirs stellaires mais ça ne représente qu’un dix-millième de l’ensemble des étoiles dans une galaxie. Ca montre bien qu’il faut quand même des conditions extrêmes pour fabriquer un trou noir, il faut qu’un cœur d’étoile dépasse la masse critique et on estime qu’il y a peut-être une étoile sur dix mille capable d’engendrer un trou noir. On sait que les stades terminaux de l’évolution des étoiles, en général c’est la formation de naines blanches, si les masses d’étoiles ne dépassent pas initialement huit à neuf fois la masses solaires, et puis entre neuf masses solaires et à peu près quarante fois la masse du soleil, c’est sensé former des étoiles à neutrons, détectables sous forme de pulsars. Il faut que des étoiles aient des masses initiales supérieures à quarante masses solaires pour avoir la possibilité de développer un cœur qui va s’effondrer pour former un trou noir stellaire et donc on estime que peut-être qu’une étoile sur dix mille dépasse cette masse là.

Vue d’artiste d’un pulsar aspirant la matière de son étoile compagnon. Crédits: NASA-Dana Berry

Nico : Et finalement du coup quand même, les trous noirs ne sont pas si rares que ça dans l’univers, parce qu’on en trouve et on en trouve de plus en plus.

Julie : Et on les observe.

JPL : A partir du moment où on dit qu’il y a plusieurs dizaines de millions de trous noirs dans notre galaxie, sans compter les autres galaxies, on peut dire qu’il y a beaucoup de trous noirs dans l’univers. Mais ceci dit, statistiquement, ce sont des objets rares, ça veut dire que le trou noir astrophysique statistiquement le plus proche de nous (parce que souvent évidemment les gens se disent mais alors est-ce qu’un trou noir peut menacer le système solaire etc.), il est très vraisemblablement à plusieurs milliers d’années-lumière.

Nico : On va en venir au gros sujet du moment, c’est la singularité, ça représente forcément une partie importante du livre. Vous expliquez à plusieurs reprises dans vos livres, je dis deux livres parce qu’il y a deux tomes, mais en plus vous en parlez aussi dans d’autres libres, que la relativité générale contient intrinsèquement des “singularités”, des grandeurs qui tendent vers l’infini. En particulier, il y a les premiers instants du Big Bang, pour lequel on ne sait pas bien expliquer les tous premiers instants, parce que ce sont vraiment les limites de nos équations.  Ce sont des sortes de “trous” dans la théorie. Le centre des trous noir fait aussi partie de cette catégorie. Pire encore, dans ce cas là, il se situe derrière un horizon des évènements qui fait qu’on ne peut même pas les observer. Que pouvez vous nous raconter sur cette singularité? Y en a-t-il toujours une ? Qu’est-ce qu’on sait ? Est-ce qu’on peut parler de “savoir quelque chose” ?

JPL : Il faut savoir qu’en mathématique, il y a des fonctions qui présentent des singularités, c’est à dire essentiellement des infinis. Transposé maintenant dans le domaine de la physique, puisque la physique s’exprime forcément par des équations mathématiques, il peut également y avoir des singularités physiques, c’est le cas de la plupart des théories physiques, même de quasiment toutes les théories physiques, et c’est notamment le cas de la relativité générale. Une singularité, c’est essentiellement en fait une singularité de courbure, c’est à dire une zone de l’espace-temps où suite par exemple à un effondrement gravitationnel, la courbure devient infinie. Si la courbure devient infinie, la singularité sort du champs de la physique, non seulement la courbure devient infinie, les paramètres physique qui peuvent être associés, par exemple la densité de matière, la température, l’énergie etc., deviennent également infinis. Il est clair que les physiciens détestent les singularités, tout simplement parce qu’elles échappent au champ de la physique. Alors de deux choses l’une, soit les singularités sont une part intrinsèque des théories physiques, soit elles marquent leurs limites de validité. Ca a été un grand débat, dans les années 70, des théorèmes importants sur l’occurrence des singularités en relativité générale ont été démontrés, essentiellement par Hawking et Penrose, qui ont démontrés que dans les conditions typiques de l’effondrement gravitationnel pour former un trou noir, il y avait inévitablement une singularité de courbure qui se formait. Ça peut être une singularité de type ponctuel ou annulaire mais malgré tout, ce sont quand même des régions, des points de l’espace-temps, où la courbure devient infinie. C’est le même type de démonstration pour éventuellement une singularité qui se trouverait au tout début de l’expansion de l’univers, qui s’identifierait avec le Big Bang proprement dit. L’autre option c’est de dire que là on a extrapolé la théorie physique au maximum et au delà de ce qu’elle peut réellement décrire et on se dit que si on améliore la théorie, notamment en y introduisant la physique quantique, on devrait éliminer ces singularités qui ne seraient en fait pas physiquement pertinentes et marqueraient donc simplement la limitation des théories. La tendance aujourd’hui c’est plutôt de penser cela, et c’est l’une des raisons pour lesquelles on essaie de quantifier le champ de gravitation par ces théories nouvelles qui ont essayé de marier, un peu de force, la relativité générale et la physique quantique, et on a donc des variantes comme la théorie de cordes, la gravité quantique à boucles etc. et dans toutes ces variantes là, même si elles ne sont pas encore tout à fait théoriquement abouties, mais il y a quand même des pistes qui sont largement explorées, les singularités en tant que telles sont éliminées. On les remplace par quoi ? Par exemple la singularité du Big Bang ou la singularité du trou noir est remplacée par ce qu’on appelle le Big Bounce, un grand rebond. Par exemple vous prenez un effondrement gravitationnel, à partir d’une certaine échelle quantique, qu’on appelle l’échelle de Planck (ou à peu près l’échelle de Planck), les lois de la physiques quantiques entrent en jeu, modifient les propriétés de la gravitation, peuvent éventuellement rendre la gravitation répulsive et donc effectivement l’espace-temps ne peut pas s’effondrer indéfiniment pour créer une singularité, il rebondit et donc il n’y a pas de singularité.

Se débarrasser des singularités, par Puyo

Johan : Donc le trou noir aura une surface plane ?

JPL : Si on imagine la formation d’un trou noir, la matière et l’énergie s’effondrent et puis au lieu d’atteindre un nœud de courbure au centre du trou noir, ça rebondit. Mais  la matière et l’énergie qui rebondissent ne peuvent pas ressortir de l’horizon des évènements donc tout ça reste caché. C’est tout le problème, ces évènements ne peuvent être décrits que par des théories, difficilement expérimentables, parce que ces choses-là restent cachées, aussi bien les singularités à l’état pur, ou ces petites suppressions de singularité avec rebond, ça reste caché derrière des horizons des évènements. Voilà un peu le statut des singularités aujourd’hui, la physique a plutôt tendance à vouloir les éliminer. Je raconte ça dans un autre livre, consacré à l’infini, et les singularités sont l’une des manifestations de l’infini parmi d’autres, il n’y a pas de singularités qu’en relativité générale, quasiment chaque théorie physique à un moment a une singularité, quand on regarde l’histoire des sciences, il y a eu des efforts considérables pour tenter d’éliminer les singularités en améliorant la théorie. A chaque fois qu’on améliore la théorie, il y des singularités imprévues qui apparaissent, un peu comme le Phoenix qui renait de ses cendres sous une autre forme et c’est finalement un des moteurs d’amélioration des théories pour éliminer les singularités. Peut-être qu’on n’y arrivera jamais parce qu’à chaque fois qu’on trouve de nouvelles théories, il y a d’autres singularités auxquelles on n’avait pas pensé. C’est un statut assez mystérieux et assez fascinant que le statut des singularités. On a quand même plutôt tendance à penser aujourd’hui qu’une vraie bonne théorie de la physique ne devrait pas avoir de singularité mais c’est peut-être le vœu pieux du physicien qui déteste qu’il puisse y avoir des régions de l’espace-temps totalement inaccessible à son entendement et à sa description, ce qui serait le cas des vraies singularités.

Johan : Ou le mathématicien jaloux qui préfère garder l’infini dans son jardin. Vous avez beaucoup parlé de prédictions théoriques comme les singularités  sur les trous noirs et donc ces prévisions ne sont pas observables. J’imagine qu’il doit y avoir des choses sur les trous noirs qui ne seront pas observables, qui ne seront pas vérifiables. Est-ce qu’on fait vraiment encore de la science quand on parle de choses comme ça qui ne sont pas vérifiables ?

Trou noir en rotation, par Puyo

JPL : On peut se questionner sur le statut épistémologique de certaines théories qui sont effectivement poussées tellement loin qu’il n’y a pas moyen de les vérifier ou de les réfuter par exemple selon les critères habituels dits “popperiens” etc.. Bon après c’est le boulot du physicien théoricien que d’extrapoler. Faisons abstraction quelques minutes des trous noirs, regardons l’histoire des sciences, regardons juste ce que l’on appelle la révolution copernicienne, le fait que la terre tourne sur elle même et autour du soleil, le double mouvement de la terre, a priori comme ça quand on regarde l’histoire des sciences on croit que c’est quasiment acquis, on sait que Copernic a eu quelques difficultés mais on se dit que ça va, avec Kepler, Galilée et Newton c’est complètement acquis mais pas du tout. Expérimentalement le double mouvement de la terre a été montré après la mort de Newton. Le fait d’abord que la terre tourne autour du soleil c’est un phénomène qui a été enfin montré expérimentalement en 1727, l’année de la mort de Newton, donc plus d’un siècle après Galilée et Kepler. Quant à la rotation de la terre, c’est la fameuse période du pendule de Foucault au milieu du XIXe siècle qui a enfin montré indubitablement par une preuve expérimentale que la terre tournait sur elle même.

Réinstallé au Panthéon en 1995, ce pendule a été initialement installé par Foucault en 1851. Il mesure 67 mètres et porte une masse de 28 kilogrammes. Une fois lancé, ce pendule oscille pendant 6h. La période (aller-retour) étant de 16,5 s, le pendule dévie de 11° par heure. Crédits : Christophe EYQUEM

Donc on voit bien que si on s’en tenait aux purs critères “une théorie n’est valable que si elle est réfutable et falsifiable”, Copernic et Galilée n’auraient jamais dû être pris au sérieux. Ce qui est d’ailleurs une des raisons du procès de Galilée, ça veut dire que les contradicteurs de Galilée n’étaient pas forcément des hommes de religion totalement obtus qui refusaient de voir la vérité, ils avaient une certaine pertinence en disant “Vous ne nous apportez pas la preuve expérimentale”, comme en plus ça heurtait les croyances religieuses de l’époque il y a eu un procès de l’inquisition, mais c’est vrai qu’il n’avait pas de preuve expérimentale. Aujourd’hui c’est un peu pareil, un grand nombre de prédictions de la physique théorique, certaines liées aux trous noirs, puis en cosmologie, les hypothèses des multivers, dimensions supplémentaires etc., tout ça c’est fascinant mais on a absolument aucune preuve expérimentale. Est-ce que c’est pour ça qu’il faut s’arrêter de travailler dessus ? Surtout pas ! Il faut continuer à travailler et puis éventuellement essayer de trouver des preuves, des traces indirectes. C’est ce qu’on a fait pour les trous noirs, au départ la théorie relativiste des trous noirs s’est construit à la fin des années trente, les premiers calculs d’effondrements gravitationnels relativistes c’était Oppenheimer en 1939. Après vraiment la théorie physico-mathématique des trous noirs s’est développée dans les années 60 donc c’est Hawking, Penrose, Carter et Wheeler et quelques autres, mais à cette époque là il n’y avait strictement aucun statut expérimental des trous noirs, comme je l’ai dit tout à l’heure, le statut expérimental des trous noirs a commencé à se profiler seulement à la fin des années 70 à partir du moment où on a commencé à être capables d’embarquer des télescopes à rayons X dans l’espace et on s’est aperçu qu’il y avait des phénomènes bizarres dans l’univers dont l’interprétation faisait très vraisemblablement appel à des trous noirs, sinon on se trouve devant un grand vide, c’est à dire une absence d’autre explication plausible.

Nico : Comme c’est important d’extrapoler, j’avais une petite question sur la toute fin du livre, où vous parler d’un “univers trou noir”…

JPL : Ah ! L’univers trou noir.

Nico : Et encore, je ne vous parle pas de l’univers “trou de ver” (se marre), et donc c’est une idée selon laquelle tout l’univers serait en fait contenu dans un trou noir géant. C’est une idée extrêmement intéressante, ce qui m’a le plus étonné en fait dans cette idée là, c’est que vous expliquez qu’elle n’est pas si farfelue.

JPL : Ca repose sur un petit calcul tout simplement. Pour qu’une masse donnée se comporte comme un trou noir, il faut que cette masse soit confinée dans un certain volume critique. Et bien on s’aperçoit que la masse estimée aujourd’hui de notre univers, disons l’équivalent  de quelques centaines de milliards de galaxies, sachant que dans chaque galaxie il y a à peu près 10^10 – 10^11 étoiles, ça fait une masse d’environ 10^23 fois la masse du soleil, quelque chose comme ça. Cette masse elle est confinée dans un volume dit de l’univers observable, dont on peut mesurer la taille en mesurant les paramètres cosmologiques (mais on ne peut pas mesurer la taille de l’univers complet), elle est de l’ordre du rayon critique correspondant à la masse. Des chercheurs dès les années 60 se sont posés la question, est-ce que notre univers ne pourrait pas être un trou noir ? Alors pour ça évidemment il faudrait que ce soit un univers fermé, fini, par exemple une hypersphère, et non pas un espace euclidien infini. Si l’univers est hypersphérique, on peut avoir un rayon de l’hypersphère de l’ordre du rayon de Schwarzschild [rayon de l’horizon des événements] associé à la masse qu’il contient, évidemment ça pose des quantités de questions, s’il s’agit d’un trou noir, est-ce qu’il y a une sorte de “méta-univers” dans lequel ce trou noir est contenu ?

Nico : Oui est c’est pour ça que j’en parle maintenant parce que, où est-ce qu’elle est la singularité si l’univers est un trou noir ?

JPL : C’est le Big Bang !

Nico : Ah ce serait le Big Bang ?

JPL : Ce serait le Big Bang, simplement le Big Bang serait une singularité nue, c’est à dire qu’on la verrait, elle ne serait pas cachée derrière un horizon, puisque si ça devait être un trou noir, on est dans le trou noir, et donc la singularité ne nous est pas cachée, puisqu’on est pas à l’extérieur du trou noir.

Nico : D’accord.

JPL : Mais bon c’est relativement peu étudié.

Nico : Oui puis je le reprécise, c’est la fin du livre, c’est un peu une ouverture, ce n’est pas dans le gros des théories développées dans le livre.

Johan : Moi j’avais une question là dessus parce qu’à un moment vous dites que quand vous êtes dans un trou noir il n’y a pas de raison que la lumière n’entre pas et donc on voit l’extérieur, et donc si l’univers était un trou noir, on verrait l’extérieur de l’univers dans ce cas là non ?

Nico : C’est les limites de l’univers observable… je sais pas…

JPL : Alors il est exact qu’une fois qu’on est à l’intérieur d’un trou noir, même si on est entraîné inéluctablement vers la singularité, on reçoit de l’information de l’univers extérieur. En fait la surface d’un trou noir c’est une sorte de membrane unidirectionnelle, c’est à dire qu’on peut passer de l’extérieur à l’intérieur mais on ne peut pas passer de l’intérieur à l’extérieur. Ca veut dire que la membrane laisse passer l’information venant de l’extérieur, l’information ça peut être tout simplement des rayons lumineux, et donc on fait des calculs et on a même fait des visualisations ! J’ai un collègue qui s’appelle Alain Riazuelo etqui travaille à l’institut d’astrophysique de Paris, il a fait des simulations extraordinaires ou il calcule le paysage de l’espace-temps dans le voisinage immédiat d’un trou noir ou carrément à l’intérieur d’un trou noir, et on voit bien qu’à l’intérieur d’un trou noir il y a des rayons lumineux qui parviennent de l’extérieur, donc on voit une partie de l’univers extérieur. Effectivement si notre univers lui-même était un trou noir plongé dans une sorte de méta-univers, on se dit mais alors on pourrait voir de la matière venir de l’horizon cosmologique, qui correspondrait plus ou moins à l’horizon des évènements d’un trou noir, ce qui n’est pas le cas.

La voûte céleste tel que la verrait un observateur situé près d’un hypothétique trou noir devant le centre de notre galaxie. À cause de la déflexion de la lumière passant près du trou noir, l’image de la Voie lactée n’est plus rectiligne, et les principales constellations sont très déformées. Simulation numérique par Alain Riazuelo /IAP.

Nico : Pour finir avant des questions d’auditeurs, on va parler un peu du titre du livre, “le destin de l’univers”. Le dernier chapitre est justement consacré à ce que l’on peut dire sur le futur. Ce qui est assez étonnant c’est qu’en fait dans un peu tous les cas, le destin de l’univers parait assez sombre, pour faire un résumé des choses les plus probables, ça se joue sur comment évolue l’énergie sombre. Si l’énergie sombre est constante,  c’est le moins pire des cas, on se met petit à petit à ne plus voir les autres galaxies et se retrouver seul au milieu de “notre” univers. Si l’énergie sombre augmente, là on se dirige vers un “Big Rip”, où l’expansion de l’univers devient infinie et je ne sais pas trop ce qu’il se passe précisément mais ça n’avait pas l’air très joyeux… Et si l’énergie sombre diminue, on se retrouve dans le cas du Big Crunch où tout se resserre sur soi-même etc. C’est assez étonnant parce qu’on est passionné en lisant le bouquin par plein de belles théories, d’imaginer parfois des voyages dans le temps etc. et puis on se retrouve à cette fin avec cette vision du futur extrêmement noire, alors c’est quoi, du pessimisme? Du réalisme?

JPL : Absolument pas, il n’y a aucune notion de pessimisme ou d’optimisme là dedans, le titre général du bouquin c’est le destin de l’univers, et des objets qu’il contient, donc l’univers dans son ensemble. C’est pour ça qu’en fait les trous noirs sont un des destins possibles de l’évolution des étoiles massives, donc une partie du contenu de l’univers ou des centres galactiques. Après il y a l’univers lui même en tant que tel et là on rentre dans le domaine de la cosmologie, on sait que l’univers est en expansion actuellement cela s’observe, et la grande question c’est de savoir si dans le futur cette expansion va se poursuivre à jamais ou est-ce qu’un jour ça peut s’inverser et donner une contraction générale de l’univers et aboutir comme vous l’avez mentionné à un Big Crunch. Dans le cas d’un Big Crunch, la fin de l’univers n’est pas si noire que ça, elle est au contraire éblouissante, c’est une sorte de retrouvailles du Big Bang initial, c’est à dire des conditions initiales de l’univers etc. C’est une fin chaude, qui n’est pas repoussée dans un futur infini, parce que ça se produirait dans un temps fini dans le futur même, si c’est plusieurs dizaines de milliards d’années. En revanche, dans le cas d’un univers dit ouvert, c’est une expansion perpétuelle, ça veut dire que l’univers se dilate perpétuellement donc se dilue, donc la densité d’énergie moyenne dans l’univers diminue, ça veut dire que la température moyenne de cet univers ouvert tend vers le zéro absolu (-273,15 °C). Il faut savoir qu’aujourd’hui déjà, la température moyenne de l’univers est mesurée, elle est de l’ordre de 2,7 kelvin, dans l’échelle absolue de température, ça veut dire -270°C, donc l’univers moyen est déjà aujourd’hui relativement froid. Mais il peut être beaucoup plus froid que ça, et pour tendre vers le zéro absolu il faudrait un temps infini. Si en plus la vitesse de l’expansion de l’univers s’accélère comme semblent le suggérer des dernières mesures avec notamment une forme d’énergie, l’énergie sombre, dont j’ai parlé tout à l’heure, et qui accélère l’expansion de l’univers, du coup le refroidissement est encore plus brutal et spectaculaire. Dans le cas d’un univers ouvert, la fin est plutôt sombre mais au sens strict du terme, pas au sens pessimiste, ça veut dire effectivement une diminution d’énergie, la température tend vers le zéro absolu, ça veut dire que sur des périodes de temps extraordinairement grandes, toutes les étoiles vont finir un jour par s’éteindre, et que la plupart des objets finiront par se transformer en trous noirs de toutes tailles, y compris des trous noirs supergéants. Dans un temps, pas infini mais extraordinairement grand, comme je l’ai dit tout à l’heure, même les gros trous noirs pourraient à leur tour commencer à s’évaporer, soumis à des phénomènes quantiques, ce qui réalimenterait un petit peu en énergie, en un bain de photons issus de l’évaporation des trous noirs, l’univers futur mais au bout du compte ça tendrait quand même vers le zéro absolu. Il n’y a rien de pessimiste là dedans parce que de toute façon c’est sur des échelles de temps sur lesquelles on peut mettre des chiffres mais qui sont absolument effarants, 10^10^70 années c’est quelque chose d’absolument faramineux, donc ça ne concerne absolument pas les échelles humaines…

Nico : Tout comme j’invite les auditeurs à lire le livre, dans le dernier chapitre justement vous faites l’exercice de préciser certains événements temporels dans le futur [se marre], dans 10^66 années etc.

Le trou noir d’Interstellar

Johan : J’avais une dernière question, moi ça m’avait intrigué,  on a parlé tout à l’heure d’Interstellar et de cinéma, vos livres sont aussi reconnaissables parce qu’il y a beaucoup de citations qui sont souvent issues de la littérature. Vous avez même écrits plusieurs romans et recueils de poésie. Est-ce que vous pensez que l’art, au sens large, et les sciences peuvent s’influencer mutuellement ?

JPL : Oui, je me suis énormément intéressé à ces interactions, ces cousinages un peu subtils de l’art et de la science, sans faire d’amalgames non plus, il est clair qu’il y a des points communs dans la création artistique et dans la création scientifique. On part forcément d’une intuition, d’une part d’imaginaire, de quelque chose, après on l’élabore. On l’élabore évidemment différemment quand on élabore un modèle de la physique, il faut obéir aux lois de la consistance mathématique, etc. Quand on élabore une œuvre d’art ça obéit à d’autres critères mais il n’empêche qu’au départ c’est un peu la même étincelle, issue de l’imagination et de la créativité. Ca c’est un premier aspect, un autre aspect c’est quand on regarde un peu en parallèle l’histoire des arts et des sciences, on voit bien que des domaines entiers de l’art, que ce soit en littérature, en poésie, s’influencent. J’ai écrit un livre entier là dessus qui s’appelle les poètes de l’univers, où je montre comment les connaissances astronomiques d’une époque, où la méconnaissance, influent la façon dont les poètes peuvent parler de l’univers, il y a des influences très nettes ! Par exemple au moment de la révolution copernicienne et galiléenne, il y a un changement de climat dans la littérature de l’époque, en tout cas chez les écrivains et les poètes qui s’intéressent à cet aspect là des choses et qui décrivent l’univers, c’est un choc culturel tel que ça ne peut pas ne pas se retrouver dans les œuvres. C’est pareil quand vous regardez la nature également, il est normal que les formes d’expressions artistiques soient influencées par les révolutions scientifiques, quand on regarde le XXe siècle, il est clair que certains mouvements artistiques du XXe siècle, comme le futurisme, le cubisme, etc., ont été en partie influencés par les révolutions relativistes et quantiques. La question peut-être plus intéressante mais plus difficile c’est à l’inverse, est-ce que certains développements artistiques peuvent influer sur le développement de modèles scientifiques. Pas vraiment, disons que c’est plutôt un climat général. Je peux en parler parce que moi-même j’ai aussi eu beaucoup d’activités artistiques, j’ai pratiqué la musique, la peinture, etc., outre la littérature et la poésie. On peut se demander chez l’individu qui pratique en même temps la science et l’art, est-ce que c’est perméable, est-ce qu’il y a des influences. Les influences elles sont plutôt à sens unique, ce sont plutôt les influences de la science vers l’art. En revanche je pense que pratiquer l’art, ou simplement être amateur d’art, sans avoir besoin de le pratiquer, est une bonne chose. Vous savez qu’il y a beaucoup de chercheurs qui ont une bonne culture artistique, qui sont mélomanes, amateurs de peintures, ils vont dans les musées etc., ça veut dire qu’ils baignent dans une sorte de climat esthétique. On aime l’esthétique et dieu sait si l’esthétique joue un rôle fondamental dans l’élaboration des théories scientifiques, et notamment en physique fondamentale, en physique théorique, les chercheurs se sont exprimés là dessus, Penrose en a parlé plusieurs fois, lui il va jusqu’à dire que les théories physiques ont plus de chances d’être justes lorsqu’elles sont décrites par des équations et des mathématiques élégantes. C’est une sorte de pari extraordinaire sur une esthétique de la physique elle-même, il faut que la façon d’exprimer cette esthétique par les formules mathématiques soit d’une certaine façon élégante pour que ça marche ! Bon c’est un pari extraordinaire qui pour l’instant ne marche pas si mal, donc c’est quand même assez troublant et c’est une question de nature un peu philosophique.

Première simulation numérique d’un trou noir entouré d’un disque de gaz, effectuée par Jean Pierre Luminet en 1979.

Nico : La déraisonnable efficacité des mathématiques.

JPL : Exactement, c’est exactement ça.

Nico : On va passer aux questions des auditeurs, du coup on a eu beaucoup de questions sur plein de sujets.

D’abord on a vu à plusieurs reprises qu’il y a quand même pas mal de preuves d’existence des trous noirs, et pourtant on a entendu récemment Stephen Hawking qui a remis en cause l’existence des trous noirs, ainsi que Laura Mersini-Houghton qui est une chercheuse en physique théorique de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill (c’est Alan notre cher ami suisse qui a créé le podcast qui dit cela), qui disait détenir la preuve que les trous noirs n’existent pas [voir son papier]. Est-ce que vous pensez quelque chose de ces personnes, en particulier Hawking qui a été à l’origine de ces idées…

JPL : Dans un modèle scientifique, il n’y a pas de consensus total, il y a toujours des chercheurs qui remettent en cause le paradigme et c’est une très bonne chose. Après il faut voir le degré de sérieux de ces remises en cause. Moi j’ai tendance à penser que le statut expérimental et théorique des trous noirs est devenu suffisamment solide pour que il n’y ait pas d’alternative viable et convaincante. Voilà. Donc par exemple l’alternative proposée par Laura Mersini-Houghton, je ne peux pas l’expliquer à l’antenne mais réellement ça ne tient pas la route un seul instant quand on regarde un petit peu en détail les choses. Bon après on prend un peu plus au sérieux Hawking compte tenu évidemment de son statut et toutes les contributions extraordinaires qu’il a apportées. Il faut évidemment faire la différence entre trois choses, ce qu’il voulait dire, ce qu’il a dit réellement et la façon après dont c’est répercuté dans les médias. On se retrouve avec l’histoire que “les trous noirs n’existent pas”, ça c’est la façon dont c’est répercuté dans les médias. Il y a le caractère spécial de Hawking que je connais bien, son côté “émettre des déclarations un peu fracassantes”, qui semblent un peu contradictoires, mais avec une bonne dose d’humour derrière. C’est parce qu’effectivement comme je l’ai dit tout au début, je ne sais pas si les auditeurs s’en souviendront, il y a le problème de “l’information”. Le débat sur le fait que l’information contenue dans un trou noir, est-ce qu’elle totalement récupérée ou pas lorsque le trou noir s’évapore, et ainsi de suite. Les physiciens puis les physiciens quantiques ont élaborés des modèles qui ont un peu déstabilisé les prises de position initiales de Stephen Hawking et c’est un peu pour avouer une relative défaite théorique qu’il a dit “mais alors si c’est comme ça les trous noirs n’existent pas vraiment”. Ce qui n’existe pas, ce qu’il voulait dire, ce sont les trous noirs tels que lui les imaginait au départ. C’est à dire des trous noirs relativement classiques et pas quantiques. Je crois que cette déclaration ne va pas plus loin que cela. Maintenant le débat lui-même, le débat réellement théorique, qui est très technique, il est extrêmement profond, et extrêmement intéressant. Les physiciens quantiques ont émis l’hypothèse, je n’y crois pas trop non plus mais enfin bon c’est pas parce que je n’y crois pas que ce n’est pas bon, que les trous noirs sont entourés d’une sorte de mur de feu, on appelle ça un firewall, par des effets de phénomènes quantiques. Et qu’en fait ce mur de feu empêcherait que l’on puisse rentrer dans un trou noir, donc si on ne peut pas y entrer, c’est comme si d’une certaine façon, les trous noirs n’existaient pas, en tant justement qu’objets avec un horizon des évènements dans lesquels on pourrait rentrer. C’est dans ce sens là que Hawking a dit que les trous noirs n’existent peut-être pas, c’est le trou noir “simple” avec son horizon des évènements, sans mur de feu. Donc le statut des firewalls est discuté, à mon avis, et je ne suis évidemment pas le seul à partager cet avis, c’est que ces murs de feu qui sont prédits sont plausibles uniquement, puisque c’est un phénomène quantique, ils sont plausibles pour les trous noirs quantiques mais pas pour les trous noirs astrophysiques. Donc il n’y a pas de mur de feu pour les trous noirs astrophysiques.

Firewall, par Inti

Nico : on a une question de Superoxyde (bon tous nos auditeurs ont des pseudos évidemment) qui a propos de la fin de l’univers, se demandait si l’entropie diminuerait du coup ?

JPL : Si l’univers on le considère comme un univers unique, un système isolé,  l’entropie augmente puisque c’est une perte d’informations. Ces questions sont extrêmement compliquées à répondre.

Nico : (se marre) Ok. Pas de problème, on transmet, on préfère même quand on dit que c’est trop compliqué à répondre pour justement pas faire du “grand média” là dessus. On va retenter une question de Superoxyde mais qui a l’air compliquée aussi, que penser des hypothèses exposées par Lawrence Krauss sur un univers créé à partir de rien ? [Voir son livre Universe from nothing] Je ne sais pas si vous avez entendu parler de ça ? Moi ça ne me dit rien.

JPL : Le nom en lui même ne me dit rien mais l’univers créé à partir de rien, ça veut dire quoi ? L’univers créé à partir du vide quantique par exemple ? Ca dépend ce qu’on appelle “le rien”. (se marre) Sinon l’univers créé à partir de rien on va dans des cosmogonies primitives, mais on sait aujourd’hui qu’il existe des champs d’énergie d’origine quantique et notamment le vide, en physique classique on appelait ça le “rien”, si vous prenez une boîte, vous enlevez tout de la boîte, c’est à dire que vous faites le vide, vous enlevez les atomes, les champs de force etc., vous faites le vide. Si vous décrivez ce processus là dans la physique classique, normale, il ne reste rien, voilà, alors ce n’est pas intéressant parce que vous ne pouvez rien faire avec rien. En revanche la meilleure façon de décrire ce processus c’est la physique quantique, grâce au principe d’incertitude elle dit qu’irréductiblement, vous avez beau enlever les atomes, les molécules, les champs de force, les particules élémentaires, il restera irréductiblement quelque chose qui est l’énergie à son niveau fondamental mais qui n’est pas nulle, c’est l’énergie du vide. Et cette énergie du vide a des propriétés absolument fascinantes.

Nico : Qui ont été mesurées.

JPL : Oui, elle a été réellement observée, ce n’est pas une utopie purement mathématique. On l’a mise en évidence en laboratoire !

Nico : Oui mais je précise parce que ça a l’air d’être tellement étonnant.

JPL : Elle possède des propriétés absolument fascinantes, une fluctuation d’énergie potentiellement génératrice de matière, voir quand on fait l’hypothèse que le Big Bang lui même on va plutôt le remplacer par un état quantique, on imagine un état initial dominé par l’énergie du vide, et on se dit qu’une fluctuation de l’énergie du vide peut engendrer carrément une matière-espace-temps c’est à dire un univers. Il y a réellement des théories de cosmologie quantique qui disent que notre univers s’est formé à partir de l’énergie du vide. Si c’est ça le “rien”, moi je veux bien. En fait le rien définir comme ça, c’est plutôt potentiellement le “tout”. (l’équipe de PS se marre)

Nico : D’accord. Une question beaucoup plus simple de Mout mais c’est vrai qu’on ne l’a pas précisé, quand on parle de “trou noir”, est-ce que ça désigne la singularité (le point), ou le volume contenu dans l’horizon ?

JPL : Ah c’est très important ça comme question ! Il y a confusion entre le trou noir et la singularité. Il y en a qui disaient qu’un trou noir ne pouvait pas exister parce qu’une singularité c’est absurde. Mais j’ai expliqué que le trou noir ce n’est pas la singularité, c’est l’horizon qui se forme. C’est à dire que dans un processus vous avez une zone de l’espace-temps qui se forme et à partir du moment où cette zone est formée qui est une zone de non retour, vous avez le trou noir qui est formé. Ce qui peut se passer après, qu’il y ait une singularité ou pas, ça n’altère pas le fait que vu de l’extérieur vous avez un objet qu’on va appeler trou noir. C’est à dire avec toutes les propriétés caractéristiques des trous noirs. Donc le trou noir c’est l’intérieur d’une zone délimitée par un horizon des évènements, donc c’est un volume. Ce n’est pas une singularité.

Johan : C’est une sphère d’ailleurs, on a eu des questions aussi sur ça.

JPL : Pardon ?

Johan : C’est une sphère aussi.

JPL : Oui alors si le trou noir est statique et ne tourne pas, c’est une sphère, mais il se trouve que les trous noirs normalement tournent parce que les objets tournent dans l’univers et donc comme les objets qui tournent il y a l’équivalent de forces centrifuges, même si c’est une vision un peu classique du modèle, mais enfin bon, qui aplatissent légèrement le trou noir le long de son axe de rotation. Et donc les trous noirs dits de Kerr, qui sont les trous noirs en rotation, la forme de la surface, donc l’horizon des évènements, est légèrement aplati aux pôles donc c’est plutôt un ellipsoïde.

Johan : D’accord.

Kerr et Carter, théoriciens des trous noirs

Nico : Du coup c’était une erreur dans Interstellar où il était joliment sphérique alors qu’il était censé tourner à une vitesse…

JPL : Dans Interstellar il est censé tourner à une vitesse très proche de la vitesse critique parce qu’effectivement on ne peut pas avoir un trou noir tournant arbitrairement vite, il y a une vitesse de rotation critique, correspondant à peu près à la vitesse de la lumière à la surface de l’horizon, qu’évidemment on ne peut atteindre, encore moins dépasser. Et donc ces trous noirs sont aplatis.

Nico : D’accord. Toujours le même Superoxyde, il a fait une remarque qui va me permettre de vous poser une petite question sur une partie pas très développée dans le livre mais assez amusante. Il dit qu’il y a un mini trou noir dans l’étoile noire de Star Wars, c’est le seul moyen d’accumuler assez d’énergie pour exploser une planète rapidement. Pourquoi je cite ça aussi, c’est parce qu’il y a une partie dans le livre où vous expliquez comment il serait possible de faire des machines avec des trous noirs, de récupérer de l’énergie etc.. C’est un peu le rêve d’une presque énergie infinie comme c’est décrit.

JPL : Oui donc, les trous noirs sont non seulement des puits d’informations mais également des puits d’énergie, alors il y a une partie de l’énergie stockée dans un trou noir qui normalement est irréductible, c’est à dire qu’elle ne peut pas être extraite sauf par des processus quantiques et puis il y a une partie qui peut être éventuellement récupérable, c’est l’énergie rotationnelle. Un trou noir qui tourne a une partie de son énergie sous forme d’énergie rotationnelle, et on a imaginé des processus, notamment Penrose dont on a parlé plusieurs fois, a imaginé un processus qui permettrait artificiellement d’extraire progressivement l’énergie de rotation d’un trou noir et avoir une source d’énergie quasiment inépuisable.

Johan : Oui et cette histoire de trou noir au centre de l’étoile noire c’est  Roland Lehoucq avec qui vous avez travaillé qui développe cela.

JPL : Roland s’intéresse effectivement à tous les rapports entre les théories physiques et puis ce qu’on trouve dans la science fiction et les bandes-dessinées. Il fait un travail remarquable parce que ça permet aussi d’accrocher l’attention de tout un public qui pourrait être rebuté quand on attaque directement la physique.

Le “tunnel” du film Contact

Nico : Tant qu’on est dans la fiction, Ewi pose une question : est-ce que c’est un trou noir qui est créé dans Contact ? Le film Contact.

JPL : Oui, si je me souviens bien, ça fait longtemps…

Nico : Il me semblait que c’était un trou de ver…

JPL : Effectivement j’étais allé voir le film. Déjà dans Contact, il y avait l’idée d’utiliser les trous de vers, c’était d’établir…

Nico : Un contact justement avec…

JPL : Un contact qui normalement serait interdit dans des conditions normales, et en fait initialement avant le film, Contact c’est un livre, c’est un roman de Carl Sagan avant d’être adapté à l’écran par Zemeckis, et déjà dans le livre, Carl Sagan, qui lui était plutôt un planétologue, il ne connaissait pas les détails de la relativité générale, il avait déjà demandé conseil à Kip Thorne, qui lui avait dit qu’il y avait une possibilité théorique, précisément les trous de ver. D’ailleurs c’est à partir de là que Kip Thorne a commencé à s’interroger davantage aux trous de vers et à essayer de montrer qu’il pouvait y avoir éventuellement des trous de vers stabilisés par des formes d’énergie négative comme je l’ai dit tout à l’heure.

Nico : On a parlé du problème du firewall, dans le même ordre d’idée, qu’est-ce que vous pensez de l’hypothèse holographique du trou noir ? Qui si je ne dis pas de bêtises revient à dire que sur la surface du trou noir il y aurait toute l’information sur tout l’univers etc.

JPL : Alors j’en pense du bien pour les trous noirs et je n’en pense pas du bien pour son application à la cosmologie.

A priori c’est une jolie idée le principe holographique, c’est l’idée qu’en fait toute l’information contenue dans un volume peut être extraite à partir de la surface qui limite ce volume. Donc au lieu d’être répartie en trois dimensions, elle est quelque part distribuée en deux dimensions. Cette idée, qui vient en partie de la théorie des cordes, appliquée aux trous noirs, elle fournit l’idée intéressante que finalement toute l’information contenue dans un trou noir est d’une certaine façon sur l’horizon des évènements. Ca a permis de faire des calculs d’entropie d’un trou noir, entropie donc liée à la quantité d’informations, et de montrer, ce par un vrai calcul (et pas simplement par une analogie comme ça avait été fait initialement par Stephen Hawking et quelques autres dans les années 70, 80), que l’entropie d’un trou noir est liée par une formule physico-mathématique, à l’aire de la surface d’un trou noir. Pour ça, on fait un calcul un peu quantique, on décompose la surface d’un trou noir en unités extrêmement petites, de l’ordre de l’aire de Planck, en unités quantiques. Il faut quatre unités pour faire un bit d’information, après on fait le calcul de l’entropie complète d’un trou noir et on retrouve une formule qui avait été imaginée initialement de façon un peu intuitive par Hawking et Bekenstein dans les années 70, mais là on la retrouve par une sorte de véritable calcul, grâce au principe holographique. En revanche à l’échelle de l’univers, l’idée que l’information totale contenue dans l’univers puisse se retrouver sur une sorte de frontière ou d’horizon lié à notre univers, ça ne marche que dans un cas extraordinairement particulier qui est un modèle d’univers appelé modèle anti de Sitter, à cinq dimensions en plus, et ça ne s’applique absolument pas à l’univers dans lequel nous pensons nous trouver. Je suis en train de préparer un gros papier de revue qu’on m’a demandé là dessus, sur le principe holographique.

Nico : (rit) On pourra en savoir plus à cette occasion.

Une question, alors vous ne répondez pas si c’est indiscret, mais je trouve qu’elle est intéressante à poser à quelqu’un qui fait un livre qui s’appelle le destin de l’univers, et qui nous parle aussi des origines, quelle est votre position vis à vis de la religion ?  Etes vous croyant ? Est-ce que ça a un intérêt de poser cette question ?

JPL : (rit) Ca a toujours un intérêt de poser la question bien entendu. Moi non je ne suis pas croyant, j’ai pu l’être un moment, ne serait-ce que par mon éducation, vous savez souvent les formes de croyances elles sont aussi culturelles, etc. On est dans un milieu et on est imprégné de ce milieu là, et à mesure je me suis détaché. Je ne dirais pas que c’est ma pratique scientifique forcément qui m’a détaché de ça. J’ai adopté une philosophie matérialiste, une philosophie athée, mais je conçois absolument qu’on puisse avoir d’autres approches. Mais je n’aime pas trop en revanche que l’on mélange comme le font certains. Vous voulez écrire un bouquin de physique, vous mettez dieu dans le titre, vous êtes sûrs de vendre dix ou cent fois plus d’exemplaires que mon destin de l’univers. Simplement parce que vous semblez aborder cette question là. Ma position c’est que ça n’a pas du tout la même fonction, la science et la religion. La religion c’est un acte de foi, la science ce n’est pas un acte de foi, c’est une construction, une remise en cause permanente, donc il n’y a pas de dogme, il y a des consensus qui évoluent au cours de l’histoire. Il faut être prêt à abandonner la “croyance” en un modèle scientifique même si on travaillé trente ans dessus, dès lors qu’il y a une expérience qui va l’invalider, il faut l’abandonner. Ce n’est pas comme ça que fonctionne la religion, donc il vaut mieux séparer les choses. Dans l’histoire, je pense que les positions les plus pertinentes sont celles de personnes qui ont su réellement bien séparer les choses, comme ce fut le cas avec Georges Lemaître sur lequel j’ai beaucoup écrit par ailleurs [en particulier L’invention du Big Bang, ], il est l’inventeur de la théorie du Big Bang moderne et qui par ailleurs était un homme de religion, il était prêtre. Mais il ne mélangeait absolument pas les choses. Alors que d’autres au contraire veulent absolument soit étayer leurs croyances religieuses par la religion, soit à l’opposé, étayer leurs croyances matérialistes par la science, mais en fait je pense que la science ne dit rien sur ces choses là.

Nico : D’accord.On a une question de GPif qui peut paraître amusante mais qui à mon avis n’est pas anodine, parce que vous en parlez aussi dans le livre : si je veux faire un trou noir dans mon jardin, il me faut quoi ? Quand je dis qu’elle n’est pas anodine, c’est que vous parlez un peu du fait qu’on commence à envisager de construire des trous noirs.

JPL : Alors il faut mettre le grand accélérateur de particules du CERN dans le jardin, donc avoir un grand jardin, pour mettre 7 km de circonférence, c’est pas mal de technique et de moyens.

Johan : Ça tombe bien pour nos auditeurs en Suisse !

JPL : (rit) Donc il vaut mieux avoir un jardin près de la Suisse. D’autre part il vaut mieux être dans un univers avec des dimensions supplémentaires parce qu’on s’aperçoit que même avec les énergies énormes développées dans le collisionneur du CERN, dans les théories normales, relativité générale classique etc., on est incroyablement loin de développer des énergies suffisantes pour créer artificiellement des trous noirs. Je parle là évidemment de micro trous noirs, je ne parle évidemment pas de trous noirs stellaires ! La seule possibilité théorique, ce serait de se trouver dans un modèle très spécial de la théorie des cordes, c’est à dire avec un certain nombre de dimensions supplémentaires de l’espace, et en plus que la taille de ces dimensions supplémentaires soit ajustée de manière extraordinairement improbable. Malheureusement, je dis malheureusement parce que ce serait quand même chouette de pouvoir créer artificiellement des trous noirs au labo, parce qu’on pourrait les étudier du coup. Mais non.

Nico : Dans l’état actuel des connaissances a priori on ne verra pas de trou noir fabriqué artificiellement de notre vivant.

JPL : Non.

Nico : D’accord

Johan : On finit donc par une question d’Irène : comment et depuis quand vous êtes vous intéressé à la physique, est-ce que vous avez des parents scientifiques ou est-ce que c’est venu… ?

JPL : Non pas du tout, mes parents n’étaient pas du tout des scientifiques et a priori je ne me destinais pas non plus particulièrement à ça quand j’étais jeune, adolescent etc., je m’intéressais peut-être plus à la musique, à la littérature, à la peinture,  à la poésie, etc. Mais simplement j’étais bon en math, donc j’ai tout naturellement suivi une filière scientifique, je n’avais pas le goût de la physique, je le dis tout net, je n’avais pas le goût de la physique, pas parce que la physique est chiante mais parce qu’elle est enseignée de manière ennuyeuse, en général. Il y a peut-être des profs de physique qui nous écoutent et qui ne vont pas être d’accord, le fait qu’ils écoutent le podcast, ça veut dire que ce sont de bons professeurs de physique hein. Mais moi je me souviens, la physique nous était enseignée de façon ennuyeuse, je l’ai bien vu après quand mes enfants m’apportaient leurs devoirs de physique, je leur disais “mais mon pauvre, tu te retrouves exactement dans la même situation que moi, je détestais la physique”. J’adorais les maths en revanche, et ce n’est que très tardivement, à l’issue d’une maîtrise de mathématiques, que grâce à des livres de vulgarisation, et pas des cours de physique, que je me suis aperçu de la magie que pouvait représenter la physique. On avait un outil magique, les mathématiques, pour aborder après des grands problèmes fondamentaux de la physique. Donc voilà mon parcours, initialement, je ne me destinais pas à devenir un chercheur scientifique, je pensais peut-être devenir musicien, écrivain ou je ne sais quoi, et puis j’ai découvert finalement qu’il y avait une forme de créativité extraordinaire qui était permise par la recherche en physique fondamentale, on avait un bel outil, les mathématiques, et cet outil on l’utilise après pour faire de la belle physique. Si on changeait un peu l’enseignement de la physique, si déjà on mettait un peu plus d’astrophysique et ce genre de choses dans les cours de physique au lycée etc., je pense qu’il y aurait peut-être beaucoup plus de jeunes qui s’orienteraient dans des carrières dans la recherche scientifique.

Nico : Comme vous avez lancé le sujet des vulgarisations qui vous ont intéressées, peut-être un ou deux livres qui vous ont particulièrement marqués, même récemment ?

JPL : Les livres de vulgarisation ?

Nico : Oui

JPL : Il y a d’abord le livre originel qui m’a converti au métier, c’est un livre qui a été un petit peu oublié aujourd’hui, il avait été écrit dans les années 70 par un astronome qui s’appelait Jean Edman, que j’ai rencontré après à l’observatoire de Paris quand j’y suis allé. C’était un livre qui parlait de cosmologie, un peu de trous noirs, etc. De façon vulgarisée mais quand même assez solide, avec quelques équations simples. Moi je suis extrêmement content, et ça arrive de plus en plus souvent, lorsque des jeunes astrophysiciens qui viennent d’avoir un poste, viennent me trouver (surtout quand j’étais à Meudon, maintenant que je suis à Marseille je suis un peu plus isolé) et me disent “en fait c’est parce que j’ai lu votre livre sur les trous noirs de 1987 quand j’étais adolescent, que j’ai eu envie de continuer”, je pense que c’est le rôle de la vulgarisation. J’ai écrit une bonne quinzaine de livres de vulgarisation, en plus de mes romans etc. C’est à la fois parce que j’ai la passion de communiquer, d’expliquer les choses compliquées que l’on fait et parce que je pense que c’est réellement un très bon moyen d’attirer une petite partie des jeunes intéressés par ça, sur les mystère et la magie de la physique.

Robin : Moi j’ai enfin l’explication de pourquoi c’est vous qui m’avez le premier intéressé à l’astrophysique, c’est parce qu’à la base vous êtes un matheux comme moi, qui était fâché avec la physique comme moi. (il rit) (l’équipe se marre)

Nico : Oui parce que Robin quand on est allé au CERN n’est pas venu parce qu’il ne voyait pas l’intérêt… (l’équipe rit)

Robin : Non, non non non. Ca c’est pour la légende (l’équipe PS est hilare). Mais je suis assez ravi d’entendre ce que vous dites là dessus. Mais du coup si je peux me permettre une question encore, vous en avez un petit peu parlé mais du coup ça pose toute la question des belles mathématiques pour de la belle physique et le rapport au réel, qui est un débat qu’on aura jamais fini… Vous avez parlé des singularités, dont on ne sort jamais, on en récupère tout le temps, mais du coup votre position entre les théories mathématiques et ce qui pourrait exister disons ? Pardon je vais dire un truc précis comme ça ce sera plus simple (l’équipe se marre), une phrase que j’ai entendue, c’est une citation de je ne sais plus qui, je n’ai pas réussi à retrouver, qui dit “Le Big Bang n’est pas une grosse explosion mais la limite de nos équations“, qui résume assez bien l’idée. Quelle position avez-vous sur ce genre de choses ?

JPL : Il est certain que le Big Bang n’est pas une grosse explosion, puisque comme je le rappelle dans d’autres bouquins, le terme a été donné par dérision pour se moquer de l’idée que notre univers puisse être né d’une grande explosion, ce qui n’était pas du tout dans l’idée originelle de Lemaître et Friedmann qui sont les fondateurs de la cosmologie moderne. Le fait que ce soit une limite de nos équations, comme j’ai essayé de le dire à un certain moment mais je ne l’ai pas vraiment développé, la tendance aujourd’hui c’est de penser cela oui. Le Big Bang en tant que singularité j’entends, parce qu’il faut voir aussi ce que l’on met derrière le mot Big Bang, quand aujourd’hui on parle du modèle standard du Big Bang, c’est en fait le modèle complet de l’évolution de l’univers, à partir d’une configuration initiale stricto senso encore mal comprise, mais au bout de quelques milliardièmes de seconde, en admettant qu’on puisse mettre le temps zéro à ce fameux Big Bang, on a une bonne physique pour décrire ça. Après tout le reste marche assez bien jusqu’à la description de l’univers d’aujourd’hui et éventuellement l’univers de demain, maintenant y a-t-il vraiment un début absolu de cela, un temps zéro, comme je l’ai dit en fait, le Big Bang en tant que singularité, c’est une extrapolation de la relativité générale et tous les efforts théoriques d’aujourd’hui qui consistent à faire des théories de gravitation quantique c’est pour se débarrasser de cet infini et de cette singularité. Donc en ce sens là, le Big Bang en tant que singularité serait effectivement une limite de nos équations. Mais en revanche, ce qu’on appelle le récit du Big Bang, ce que l’on peut tirer à partir de la formation du boson de Higgs au bout d’un dix milliardième de seconde dans l’histoire cosmique, jusqu’à aujourd’hui, c’est quelque chose qui commence à devenir assez costaud et assez solide, parce qu’étayé expérimentalement par tout un arsenal d’expériences, de mesures et d’observations.

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Explorer un trou noir, par Randall Flagg

Robin : D’accord. Si je comprends bien c’est un peu comme ce que vous disiez sur le trou noir, entre l’horizon de ce que l’on ne voit plus et la singularité.

JPL : Oui, d’une certaine façon.

Nico : Très bien, avant de passer à la citation et dieu sait qu’on a un spécialiste en citation ce soir (rit).

JPL : (rit) Oui j’ai émaillé mon bouquin de beaucoup, beaucoup de citations.

Nico : A chaque chapitre au moins il y en a une, et parfois plus. On va juste parler rapidement du pitch de la semaine prochaine. La semaine prochaine on reçoit Nicolas Grandjean, c’est toujours un plaisir de recevoir Nicolas Grandjean, notre spécialiste de tout ce qui brille et qui tient dans la poche, parce que ce soir on a parlé de choses qui parfois brillent mais ne tiennent pas vraiment dans la poche. Après être venu nous parler des LED blanches (Podcast Science #157), et du dernier prix Nobel de physique (Podcast Science #192), cette semaine, nous parlerons des lasers à semi-conducteurs. Ça sert à lire vos CD-Roms (si quelqu’un utilise encore ça), scanner un document papier (bon ok on va essayer de trouver une application un peu plus récente) ça sert aussi à déclencher automatiquement les toilettes quand vous avez fini, voilà pour des applications récentes. Bref, ces lasers sont devenus maintenant indispensables pour beaucoup d’applications. Nicolas Grandjean va nous raconter leur histoire, leur fonctionnement, et leurs applications (avec, promis, de meilleurs exemples que ceux qu’on vient de donner là !). Venez la semaine prochaine nous écouter !

Du coup on passe à la citation.

JPL : Oui alors juste un mot, avant de dire cette citation, c’est parce que, quand on travaille comme moi et tous mes collègues, sur ces théories des trous noirs, la relativité générale, la physique quantique, la gravité,… On est inondé en permanence de courriers, de courriers, de courriers, de gens passionnés et de gens, ce qu’on appelle des amateurs, une partie sont des ingénieurs à la retraite, une autre partie des gens passionnés par cela, et qui s’imaginent avoir la clé, la solution de tous nos problèmes sur lesquels on bute. Certains d’entre eux nous disent “mais en fait vous ne racontez que des bêtises, en fait vous vous trompez depuis le début, il y a une erreur fondamentale avec la relativité donc forcément les trous noirs n’existent pas, le Big Bang n’existe pas” voilà. Ce qui m’a fait mettre en exergue de mon livre cette citation de Roland Topor que j’adore, c’est :

L’histoire qui va suivre (et donc en fait tout ce que j’ai raconté aujourd’hui à l’antenne) est véridique jusque dans ses moindres détails, à moins qu’une affreuse erreur n’ait tout faussé depuis le début.

Nico : (rit) Ca résume bien tout cela. Surtout que là, c’est vraiment le début où on ne sait pas dire… J’en ai relevé une autre dans les livres, comme on était pas sûr que vous en auriez ramené une, qui est un début de chapitre, je ne sais plus lequel exactement, un des derniers.

Qu’advient-il du trou lorsque le fromage a disparu ?

Bertolt Brecht

Je trouve qu’elle était pas mal aussi sur les trous noirs.

JPL : Oui. (rit)

Nico : Ok, on va s’arrêter là, Merci beaucoup ! On est ravis

JPL : Merci à vous !

Nico : On a eu plein de réponses, je pense que le public était ravi aussi, on a eu quelques dessins dans la chat room, on va vous les montrer juste après, de Puyo et Inti, merci beaucoup. Puyo qui a fait des gifs animés cette semaine, Randall Flagg aussi. Il y a eu beaucoup d’animation !

Vous savez maintenant que l’univers aura probablement une fin dans quelques millions, voir milliards d’années… Mais bon ça vous laisse quand même un peu de temps pour partager le podcast sur tous les réseaux : Soundcloud, Twitter, Facebook, notre site podcastscience.fm, on vous remercie encore d’être venus, pour cette passionnante interview, on se retrouve la semaine prochaine avec Nicolas Grandjean pour parler de lasers, et d’ici là, que servir la science soit votre joie !

Johan et JPL ont des conversations de geeks en douce après le générique sur une nouvelle nova dans la constellation du sagittaire.

 

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black-hole-star-accretion-590x438Auteur : Ethan Siegel

Blog : Starts with a Bang

Billet original : http://goo.gl/DGZBJg

Traduction et enregistrement : Frédéric Conrotte

Diffusion originale: Podcast Science #208 – Freestyle #12


 

« Il est toujours agréable d’avoir des solutions exactes sous forme simple à votre disposition » – Karl Schwarzschild (astrophysicien allemand)

Si vous aviez été capable de savoir, depuis les tous premiers principes, ce que les lois de la physique ont été partout et en tout temps dans notre Univers, ce ne serait pas encore suffisant pour que vous ayez pu prédire que l’Univers tel que nous le voyons existe un jour.

En effet, bien que les lois de la physique fixent les règles sur la façon dont un système évolue avec le temps, il a encore besoin d’un ensemble de conditions initiales pour débuter.

Cet article de blog n°50 de “Demandez à Ethan” répond cette semaine à une question d’Andreas Lauser qui demande:

“Bien que je n’aie pas beaucoup de doutes que la théorie du Big Bang soit correcte (ou comme vous le diriez probablement, est une assez bonne approximation de ce qui s’est réellement passé), il y a une question que je me pose depuis longtemps concernant cette partie de la cosmologie:

Y-a-t-il une explication de pourquoi l’Univers n’est pas devenu immédiatement un trou noir?

Je suppose que sa densité initiale devait être légèrement supérieure à la limite de Schwarzschild.”

Revenons à la naissance de notre meilleure théorie sur la gravité – la relativité générale d’Einstein – il y a quelque 100 ans.

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Avant Einstein, c’était la loi de gravitation universelle de Newton qui était la théorie acceptée décrivant la gravité.

Tous les phénomènes gravitationnels dans l’univers, de l’accélération des masses sur Terre aux orbites des lunes autour des planètes jusqu’aux orbites des planètes tournant autour du Soleil: la théorie de Newton décrivait tout cela.

Les objets exerçaient entre eux des forces gravitationnelles égales et opposées, accéléraient en proportion inverse à leur masse, la force obéissait à une loi en carré inverse.

A la fin du 19e siècle, la théorie gravitationnelle de Newton avait été incroyablement bien testée et il n’y avait pas d’exceptions.

En réalitté, malgré des milliers et des milliers de succès à son actif, il n’y avait presque aucune exception.

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Pour les plus astucieux et ceux qui faisaient très attention aux détails, il y avait quelques problèmes:

1- A des vitesses très élevées – càd des vitesses approchant la vitesse de la lumière – les idées de Newton sur un Espace et un Temps absolus ne tenaient plus. A ces vitesse les particules radioactives vivaient plus longtemps, les distances se contractaient, et la “masse” ne semblait pas être la source fondamentale de la gravitation: cet honneur semblait revenir à l’énergie, dont la masse n’est qu’une forme.

2- Dans les champs gravitationnels les plus forts – du moins, si c’est ce qui rend la planète Mercure si spéciale parmi les planètes de notre système solaire en orbite autour du Soleil – La prédiction Newtonienne sur le comportement gravitationnel des objets est légèrement mais sensiblement différente de ce que nous observons. C’est comme si, quand vous arrivez très près d’une source très massive, il y a une force d’attraction supplémentaire dont la gravité newtonienne ne tient pas compte.

À la suite de cela, il y eut deux développements qui ont ouvert la voie à une nouvelle théorie pour remplacer la conception newtonienne, brillante mais vieille de plusieurs siècles, du fonctionnement de l’Univers.

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Le premier développement majeur fut que l’espace et le temps, précédemment vus comme un espace tridimensionnel indépendant et une quantité de temps linéaire, ont été réunis dans un concept mathématique qui a créé un “espace-temps” à 4 dimensions.

Ceci a été accompli en 1907 par Hermann Minkowski:

“La vision de l’espace et du temps dont je souhaite vous parler trouve son origine dans la physique expérimentale, ce qui est en fait sa force. […] Désormais l’espace en lui-même, et le temps en lui-même, sont vouées à disparaître en tant que simples ombres, et seulement une sorte d’union des deux permettra de préserver une réalité indépendante.”

Cela fonctionnait uniquement pour un espace euclidien, plat, mais l’idée était incroyablement puissante mathématiquement, car elle conduisait vers toutes les lois de la relativité restreinte comme une conséquence inévitable.

Lorsque cette idée d’espace-temps a été appliquée au problème de l’orbite de Mercure, la prédiction newtonienne dans ce nouveau cadre s’est rapprochée de la valeur observée, mais était toujours inexacte.

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Mais le second développement est venu d’Einstein lui-même, et c’était l’idée que l’espace-temps n’était pas plat du tout, mais était incurvé.

Et la chose qui a déterminé la courbure de l’espace-temps était la présence d’énergie sous toutes ses formes, y compris la masse.

Publié en 1915, la théorie d’Einstein était incroyablement difficile à calculer, mais donnait aux scientifiques l’énorme potentiel de modéliser des systèmes physiques à un niveau d’exactitude et de précision inégalés.

L’espace-temps de Minkowski correspondait à un univers vide, ou un Univers sans énergie ou tout autre type de matière.

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Einstein a réussi à trouver une solution où vous aviez un univers avec un seul point solitaire comme source de masse, et avec la stipulation que vous étiez en dehors de ce point.

Cela a réduit à la prédiction newtonienne à de grandes distances, mais a donné des résultats plus solides à des distances plus courtes.

Ces résultats tombaient non seulement en accord avec les observations de l’orbite de Mercure que la gravité newtonienne n’avait pas réussi à prédire, mais ils faisaient de nouvelles prévisions sur la déviation de la lumière des étoiles qui serait visible lors d’une éclipse solaire totale, prédictions qui ont plus tard été confirmées lors de l’éclipse solaire de 1919.

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Mais il y avait une autre solution – surprenante et intéressante – qui est sortie quelques semaines après qu’Einstein publia sa théorie de la relativité générale.

Karl Schwarzschild avait travaillé sur d’autres détails de ce qui se passe dans une configuration à un seul point solitaire comme source de masse mais de grandeur arbitraire, et ce qu’il a trouvé était remarquable:

– À de grandes distances, la solution d’Einstein tenait bon, se réduisant aux résultats de Newton.

– Mais très proche de la masse – à une distance très spécifique (R = 2M, en unités naturelles) – vous atteignez un point à partir duquel rien ne peut échapper: un horizon d’événement.

– En outre, à l’intérieur de cet horizon d’événement, tout ce qui entre s’effondre irrémédiablement vers une singularité centrale, qui est inévitable en raison de la théorie d’Einstein.

– Et enfin, n’importe quelle configuration initiale de poussière stationnaire et sans pression (c’est à dire de la matière qui a une vitesse initiale nulle et qui n’interagit pas avec elle-même),

Indépendamment de la forme ou de la densité de distribution, va inévitablement s’effondrer vers un trou noir stationnaire.

Cette solution – la métrique de Schwarzschild – a été la première solution complète, non-triviale de la relativité générale jamais découverte.

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Donc, avec ces explications bien ancrées dans nos esprits, nous allons venir maintenant à la question initiale de cet article:

“Qu’en est-il de l’Univers à ses débuts, quand il était chaud, dense et où toute la matière et l’énergie actuellement éparpillés sur quelque 92 milliards d’années-lumière était contenue dans un volume d’espace pas plus grand que notre propre système solaire?”

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La chose que vous devez garder à l’esprit c’est que, tout comme l’espace-temps de Minkowski, la solution de Schwarzschild est une solution statique, ce qui signifie que la métrique de l’espace n’évolue pas avec le temps.

Mais il y a beaucoup d’autres solutions – l’espace de Sitter en est une mais le métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker en est une autre – qui décrivent un espace-temps se dilatant ou se contractant.

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Si notre Univers avait commencé avec la matière et l’énergie qu’il avait aux premiers stades du Big Bang, mais qu’à la place d’une expansion rapide, il avait été statique et toutes ses particules ne subissait de pression ni ne possédait de vitesse propre, alors toute cette énergie aurait formé un trou noir de Schwarzschild dans un temps extrêmement court: pratiquement instantanément.

Mais la relativité générale a une autre mise en garde importante en elle: non seulement la présence de matière et d’énergie déterminent la courbure de l’espace-temps, mais les propriétés et l’évolution de tout ce qui existe dans cet espace détermine l’évolution de l’espace-temps lui-même!

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Ce qui est le plus remarquable à ce propos, c’est que nous savons, à partir du moment du Big Bang, que notre Univers semble n’avoir que trois options possibles, qui dépendent de la matière et de l’énergie présentes en son sein et le taux d’expansion initial:

1- Le taux d’expansion aurait pu être insuffisamment grand pour la quantité de matière et d’énergie présente en son sein, ce qui signifie que l’Univers se serait élargi pendant un bref instant, aurait atteint une taille maximum, puis se serait effondré. Il est inexact de dire qu’il se serait effondré en un trou noir (bien que ce soit une pensée tentante), parce que l’espace lui-même se serait effondré avec toute la matière et l’énergie, donnant lieu à une singularité connu sous le nom de Big Crunch.

2- D’autre part, le taux d’expansion aurait pu être trop grand pour la quantité de matière et d’énergie présentes en son sein. Dans ce cas, toute la matière et l’énergie se seraient répartis dans l’Univers à un rythme trop rapide pour que la gravitation soit capable de rassembler tous ces composants ensemble, et pour la plupart des modèles, l’Univers se serait donc élargit trop vite pour que puissent se former les galaxies, les planètes, les étoiles, et même les atomes ou noyaux atomiques!

Un univers où le taux d’expansion était trop grand pour la quantité de matière et d’énergie contenue serait en effet un lieu désolé, vide.

3- Enfin, il y a le cas “idéal”, le cas où l’Univers est tout juste à la frontière entre le Big Crunch (ce qui serait le cas si il avait juste un proton de plus) et l’expansion infinie (ce qui serait le cas si il avait juste un proton de moins).

 

Au final, nous vivons presque dans le cas “idéal”, avec juste un tout petit peu d’énergie sombre dans le mélange, rendant le taux d’expansion légèrement plus grand, ce qui veut dire qu’au bout du compte toute la matière qui n’est pas liée gravitationnellement sera dispersée dans l’abîme de l’espace profond.

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Ce qui est remarquable, c’est que le réglage fin nécessaire du taux d’expansion de l’Univers et de la densité de la matière et de l’énergie pour que l’Univers ne subisse pas un Big Crunch ou ne parvienne même pas à former les éléments de base constitutifs de la matière correspond à quelque chose comme une partie sur 10^24, qui est un peu comme compter le nombre d’électrons composant deux êtres humains, et trouver que les 2 nombres sont identiques à un électron près !

En fait, si nous retournons à une époque où l’Univers n’était vieux que d’une nanoseconde après le Big Bang, nous pouvons quantifier la valeur exacte du taux d’expansion et de la densité nécessaires pour que nous soyons là aujourd’hui:

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Une histoire assez peu probable, vous ne pensez pas ?

Et pourtant, cela décrit très bien l’univers que nous avons de nos jours, qui ne s’est pas effondré immédiatement et qui n’a pas eu une expansion trop forte pour pouvoir former des structures complexes, et a donc pu engendrer toute la merveilleuse diversité nucléaire, atomique, moléculaire, cellulaire, géologique, planétaire, stellaire, galactiques que nous avons aujourd’hui.

Nous avons la chance d’être présents aujourd’hui, d’avoir pu apprendre tout ce que nous savons à ce sujet, et de pouvoir nous investir encore dans l’apprentissage de la Science.

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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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