Et si la véritable conquête de l’espace était celle des mathématiques, des labos et des observations astrophysiques ? Quand conquérir l’Univers, c’est tenter d’en percer les mystères.

Un article rédigé par Fabien Franco, journaliste, Lyon

Un article Pop’Sciences

1969-2019, cinquante ans, autant dire moins que rien à l’échelle de l’Univers, et pourtant, pour nous êtres humains conscients de nos propres limites, ce fut un instant d’émotion rare.

La galaxie spirale Messier 100 et la supernova SN 2006X / ©ESO/IDA/Danish 1.5 m/R. Gendler, J.-E. Ovaldsen, C. C. Thöne and C. Féron

Depuis, les pas accomplis par la connaissance scientifique n’ont cessé de nous rapprocher de l’instant des origines, et aussi, de nous ouvrir de nouveaux horizons d’investigations. Parmi toutes les théories envisagées, pour l’heure, c’est toujours celles du Big Bang, de la relativité, des forces régissant l’Univers qui tiennent. Mais demain, qu’en sera-t-il ? Et si la véritable conquête de l’espace était celle qui menait sur la voie de la connaissance des rouages encore mystérieux de l’Univers ?

Cinquante ans après que l’Homme a marché sur la Lune, la question du voyage spatial peut sembler anecdotique. Après tout, il est fort probable que la présence physique de l’être humain dans l’espace ou sur des corps extraterrestres ne nous permettrait pas d’en savoir plus sur les questions que nous nous posons. Bien que le rêve de conquérir les frontières dérisoires de notre système solaire perdurera aussi longtemps que l’espèce humaine, les Hommes resteront à jamais limités par l’espace-temps et ses lois universels. Même si on ne peut les résumer à cela, les enjeux liés à la colonisation de l’espace paraissent parfois trop pragmatiques. Notre volonté de compréhension de l’Univers quant à elle nous dépasse. Tenter de l’approfondir c’est nous rapprocher d’un absolu inatteignable. Un absolu qui, paradoxalement, ne nécessite pas de parcourir le vide intersidéral, mais davantage de puiser en nous ces questions qui progressivement nous amènent à vivre dans une proximité extraordinaire avec les étoiles.

Comme l’ont écrit ces astronomes inspirés que sont Hubert Reeves, André Brahic et Trinh Xuan Thuan, un lien relie l’humanité à cet espace-temps indifférent et hostile. Poussières d’étoiles pour les uns, enfants de dieu pour les autres, là se rejoignent la science la plus dure et la croyance irrationnelle la plus intime. Aujourd’hui, des énigmes fascinantes mobilisent les scientifiques du monde entier, parmi ces dernières, celle de l’énergie noire, moteur, pour certains, de l’expansion de l’Univers.

Va, vis et deviens

Se poser la question de l’expansion de l’Univers, c’est répondre à plusieurs questions dont celles existentielles : d’où venons-nous et où allons-nous ?

Pour imaginer l’expansion de l’Univers, il faut penser à un ballon de baudruche – mais sans centre d’expansion. Alors que le ballon est dégonflé, nous dessinons des points noirs sur sa surface plane. Au fur et à mesure que le ballon enfle, nous pouvons constater que les points s’éloignent les uns des autres. C’est l’expansion de l’Univers telle que décrite pour la première fois par Einstein en 1915. Les amas de galaxies s’éloignent les uns des autres. Jusque-là, rien de contre-intuitif. Pour autant, rien n’est vraiment si simple, surtout dans le domaine de la connaissance où les nouvelles découvertes amènent avec elles toujours plus de questions.

Car à la fin des années 90, on a observé que le rythme de l’expansion de l’Univers s’accélère. Pour reprendre notre métaphorique ballon de baudruche, cela revient à conclure qu’il enfle de plus en plus vite au fur et à mesure qu’il grossit. Les points noirs dessinés s’éloignent d’autant et plus rapidement. Ce n’est pas ce à quoi les astrophysiciens s’attendaient. En effet, la théorie du Big Bang, soit le moment où l’Univers a commencé à « gonfler », passant de presque rien à aujourd’hui des distances astronomiques, prévoyait une décélération de la vitesse d’expansion. Pourquoi ? La gravitation n’est-elle pas cette force attractive qui agit à grande échelle et qui devrait ralentir l’expansion de l’Univers ? Or ce que l’on constate, c’est bien que non seulement l’expansion accélère, et, de plus, cette accélération est exponentielle, comme si on arrêtait de pédaler, mais que le vélo continuait à accélérer alors que les frottements de l’air et de la route devraient freiner sa course jusqu’à son arrêt total.

Et pourtant, c’est le contraire qui est observé : « L’accélération de l’expansion de l’Univers, soit la vitesse d’éloignement des galaxies très lointaines, est effectivement observée dans le cadre théorique du Big Bang, précise Isabelle Vauglin, astrophysicienne au Centre de recherche astrophysique de Lyon – CRAL, mais attention cette vitesse de fuite ne concerne pas notre amas local de galaxies. À cette échelle, la gravitation continue à dominer. »

Au-delà, en revanche, l’expansion de l’Univers s’accélère comme l’on démontré Saul Perlmutter et Adam G. Riess en 1998, ce qui leur valut de se voir distinguer du prix Nobel de physique en 2011. Cette observation est venue confirmer les théories de Georges Lemaître en 1927 et d’Edwin Hubble en 1929 qui ont prédit que plus une galaxie est lointaine, plus elle s’éloigne vite. La loi de Lemaître-Hubble énonce ainsi que la vitesse v de fuite des galaxies est proportionnelle à leur distance d, et la constante de proportionnalité est H, soit la constante cosmologique v = Hd. Avec l’observation du fonds diffus cosmologique, la lumière fossile de l’Univers 380 000 ans après le Big Bang, on en saura plus sur la vitesse d’accélération, car « En obtenant une image plus précise du fonds diffus cosmologique, on précise la valeur de la constante H, indique l’astrophysicienne investie dans l’instrumentation infrarouge, et, par conséquent, on précise la vitesse de fuite des galaxies et donc l’accélération de l’expansion de l’Univers. »

Fonds diffus cosmologique, satellite Planck, 2015 © ESA Planck Collaboration

Mais la vitesse de l’accélération ne dit rien de sa cause. Alors, pour expliquer cette observation à partir du cadre théorique dominant, les scientifiques ont fait appel à l’énergie noire ! Ce serait elle en effet le moteur à l’origine de cette accélération.

Particules caméléons et gravitons

Les scientifiques ont donc pensé à une énergie, une énergie dite noire ou sombre, qui aurait un effet répulsif et qui expliquerait l’accélération de l’expansion de l’Univers.

C’est aujourd’hui la théorie la plus répandue. Physiciens et astrophysiciens du monde entier cherchent donc cette récalcitrante énergie noire.

L’enjeu est des plus conséquents : l’énergie noire est dominante, c’est-à-dire que l’énergie associée au processus d’expansion équivaut aux trois-quarts (75%) de l’énergie de base (ou masse) qui constitue l’Univers ! À Genève, des physiciens du Cern cherchent des particules qui constitueraient l’énergie noire, des particules hypothétiques que les étoiles produiraient. Ces particules dites « caméléons », parce que leur comportement varierait en fonction de leur environnement, auraient une masse importante et une force qui agirait sur de courtes distances dans les régions denses, et une masse petite et une force à longue portée dans le vide spatial. Les physiciens ont cherché à mesurer de telles particules en provenance du Soleil. Les premiers résultats rendus publics début juin¹ n’ont pas permis d’observer ces candidats aux particules d’énergie noire, mais ils complètent cependant les résultats d’autres expériences.

Du côté des astrophysiciens, on attend avec fébrilité l’observation qui permettrait d’en savoir plus. « Quand une étoile massive, soit cinq à six fois la masse de notre Soleil, meurt, 20 à 30% de ses composants sont expulsés dans le milieu interstellaire. Les explosions des supernovae permettent un recyclage des éléments qui produit de nouvelles générations d’étoiles. Ainsi notre système solaire (et la Terre) est issu de générations de supernovae qui se sont succédées avant lui. Ensuite, sur une échelle de temps beaucoup plus longue, même les naines blanches refroidiront. Y aura-t-il alors dans l’Univers quelque chose qui va empêcher ce cycle de refroidissement éternel ? » interroge Isabelle Vauglin. En extrapolant l’expansion de l’Univers, les astrophysiciens imaginent un horizon cosmologique rétréci dans lequel les galaxies sortiraient de notre champ de visibilité jusqu’à ce que le ciel devienne complètement noir.

Personne ne peut garantir comment sera l’Univers dans 10³⁰ ou 10⁵⁰ ans. Aujourd’hui les scientifiques se posent la question de l’existence de multiples univers ou multivers, mais ça c’est une autre histoire…

Revenons à notre Univers, unique et déjà bien pourvus en mystères. « Ne soyons pas trop prétentieux, en l’an 2 500 les scientifiques de demain nous regarderont sans doute avec des yeux amusés. Toutefois, même si cette voie aboutissait à une impasse, la théorie actuelle doit être explorée jusqu’au bout pour être confirmée ou infirmée. C’est comme ça que la science avance » commente Isabelle Vauglin. Pas à pas, observations après observations, théories après théories, la connaissance progresse. Une conquête théorique de l’espace qui paradoxalement tente aujourd’hui de faire le lien entre l’infiniment grand et l’infiniment petit, ou la recherche du graviton, la particule qui véhiculerait la gravitation, cette force universelle dont on ne sait presque rien ou presque…

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Notes :

(1) Premiers résultats sur la recherche des particules caméléons avec le détecteur Kwisp au Cern.

<Une énergie noire : pour quoi faire ?

Tous les scientifiques ne suivent pas le modèle Standard. À l’ENS de Lyon, le cosmologiste Thomas Buchert s’applique à élaborer des équations pragmatiques et iconoclastes. Elles permettent de dépasser l’horizon théorique dominant et par là même d’ouvrir de nouvelles fenêtres de réflexion. Subversif !

Région de la nébuleuse de la Tarantule, berceau d’étoiles, dans le nuage de Magellan, voisin de la Voie lactée / ©
ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit

Ce professeur de cosmologie de l’Université Claude Bernard Lyon 1, chercheur au CRAL élabore de savantes théories qui prennent appui sur la géométrie, les mathématiques, la relativité générale d’Albert Einstein et, bien sûr, sur les dernières observations astronomiques.

Lui et son équipe de jeunes chercheurs proposent de nouvelles théories qui interrogent notre compréhension de l’Univers, sans pour autant, passer par le modèle Standard et ses mystères qu’il induit inévitablement. Non, lui est en quelque sorte beaucoup plus pragmatique. Pas de mystères donc, mais la possibilité d’un Univers inhomogène, fini et éternel. Explications.

Pour décrire l’Univers, il convient d’essayer de décrire sa géométrie locale et sa géométrie globale.

L’Univers est-il plat ? Sa courbure est-elle nulle ? Cela dépend de sa forme, de sa topologie. « Nous partons de la théorie d’Einstein. À partir de là, nous avons déterminé que la courbure de l’espace est évolutive. C’est-à-dire qu’au niveau local, et dans les régions sur-denses, la courbure devient positive, mais qu’à l’échelle globale, L’Univers est aujourd’hui dominé par des régions vides avec une courbure négative. » Ici, Thomas Buchert généralise le modèle de l’Univers à partir d’équations cosmologiques sans introduire une énergie noire pour corroborer l’expansion de l’Univers et son accélération. Il est, aujourd’hui, loin d’être le seul à suivre ces pistes d’investigations qu’il explore depuis vingt ans.

Frise chronologique de l’Univers / ©NAOJ

Il décrit un Univers en évolution constante, notamment l’évolution de la géométrie que le modèle Standard néglige. Il nous dit surtout que la géométrie du modèle Standard n’évolue pas alors qu’elle devrait le faire en fonction des observations actuelles. « La première chose à faire en physique est de prendre en compte l’inhomogénéité de l’Univers » soutient le physicien. La relativité générale décrit un Univers dans lequel la matière (la masse) déforme l’espace autour d’elle par la force gravitationnelle. Les observations ont montré l’existence d’une structure à nid d’abeille de milliards de galaxies, des zones denses et des zones vides. La théorie de Thomas Buchert décrit ces forces de gravité diverses, positives et négatives. « Les équations d’Einstein ne disent pas autre chose. Or, aujourd’hui, on peut dire qu’en fonction du temps, la courbure de l’espace évolue, aussi bien à grande qu’à petite échelle. »

Quant à l’accélération de l’Univers, cette dernière a été postulée dans des zones de l’espace-temps qui remontent à une époque où se sont formées les amas de galaxies (n’oublions pas qu’observer l’espace c’est remonter le temps, par exemple la lumière du Soleil met 8 minutes à atteindre la Terre. Le Soleil que nous observons est donc celui d’un passé âgé de 8 minutes). Ce sont ces dernières qui auraient un impact sur l’expansion de l’Univers, et donc des vides interstellaires qui joueraient le rôle tenu par l’énergie noire. Cette « énergie noire », (en fait courbure de l’espace) que Thomas Buchert définit comme « une construction théorique absolument conservatrice. » De quoi en faire réfléchir plus d’un !

<Pour aller plus loin

• Sur l’expansion de l’Univers : intervention de Sandrine Codis, astrophysicienne à l’Institut d’astrophysique de Paris.
• ERC-ARThUs, Avances dans la recherche théorique de l’Univers sombre
• L’Univers de Newton et Einstein – Energie et matière noire démystifiées – Thomas Buchert

Villefranche-sur-Saône fait partie des 11 villes sélectionnées par le CNES – Centre national d’études spatiales, pour participer à l’opération nationale 2019 Espace dans ma ville.

Sur le thème de la conquête spatiale et en lien avec le 50^e anniversaire du premier pas de l’Homme sur la Lune, divers évènements sont proposés aux familles pendant une semaine.Cette opération a aussi pour objectif d’attirer les scientifiques en herbe, filles et garçons, afin de les sensibiliser à la culture scientifique et technique.

Un village de l’espace sera installé allée Laurent-Bonnevay (face à l’école jean-Bouthoux) accompagné d’ateliers scientifiques, de soirées d’observation du ciel, de conférences,de  soirées cinéma… des animations pour tous les âges et tout public !

> Consultez le programme :

Qu’est-ce que la matière noire ? Comment les galaxies se forment-elles au cours de l’évolution de l’univers ? Peut-on simuler l’histoire du cosmos ?

« Le monde est composé de flèches et de molécules, et d’électricité, comme le Big-Bang tu vois, et tout ça ensemble, ça forme l’Univers.  » J.C. Van Damme.

Visionnez l’épisode !

Cet épisode reprend des images données par Jérémy Blaizot, Joakim Rosdahl, Léo Michel-Dansac du Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1 / ENS Lyon) en lien avec une publication de février 2015.

L’Homme a marché sur la Lune pour la première fois le 21 juillet 1969. A l’occasion de ce cinquantenaire, l’Observatoire de Lyon organise une soirée spéciale « Lune » : une conférence grand public, des ateliers et des observations seront proposés pendant cette soirée.

© Observatoire de Lyon

On pourrait résoudre d’un coup la double énigme de la matière noire et de l’énergie noire en admettant qu’il reste dans notre Univers de l’antimatière et qu’elle possède une masse négative. Une hypothèse audacieuse, mais qui devrait être bientôt testée.

Les explications dans cet article paru dans le numéro 4 de la revue Carnets de science.

Intégralité de l’article disponible sur :

CNRS Le Journal