Harris' blog

Archive pour la catégorie ‘Cosmologie’

Que sait vraiment aujourd’hui la communauté scientifique concernant la probabilité de l’existence des extraterrestres ?

Commençons avec le programme SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence). Le postulat de base de ce programme est simple. Dans notre galaxie il existe entre 100 et 400 milliards d’étoiles, statistiquement, il est donc très probable qu’il existe une autre forme de vie intelligente ailleurs, et que comme nous, elle communique avec ses semblables par ondes radios. Donc, si on écoute le ciel, on devrait être capable de capter un signal venant d’une autre civilisation. Sauf qu’on entend rien !

(Vue aérienne de l’observatoire d’Arecibo qui a joué un rôle important dans les projets SETI.)

Par le passé, on s’est fait quelques fausses joies avec les pulsars ou le signal “Wow” (Vieux de 40 ans, le mystère du signal “Wow !” est enfin expliqué par le passage d’une comète. Repéré par un radiotélescope en 1977, certains espéraient qu’il puisse s’agir d’un message venant d’une intelligence extraterrestre. En 2015, Antonio Paris, professeur d’astronomie et directeur de l’astronomie au Museum of Science & Industry de Chicago, développe une hypothèse. Il trouve que 2 comètes, la 266P/Christensen et la P/2008 Gibbs, passaient dans le ciel, en face du télescope, cette fameuse nuit d’août. Or, ces 2 comètes ont été découvertes en 2006 et 2008, trop récemment pour avoir été étudiées en 1977.Comme toutes les comètes, elles sont suivies d’une trainée de gaz composée d’hydrogène, qui a une “signature” radio. le signal “Wow !” proviendrait en fait de l’hydrogène de ces comètes. La particularité de 266P ? L’hydrogène de la comète émet à la fréquence 1420,25 MHz, la même que le signal “Wow !”. En comparant avec les observations réalisées sur d’autres comètes et sur le ciel « vide », Paris conclue : “le signal “Wow!” de 1977 était un phénomène naturel” qui ne relève pas d’un “coucou” extraterrestre).

 

(Les données récoltées par Jerry Ehman en 1977)

On parle alors du “paradoxe de Fermi”. En 1950 à Los Alamos, le prix nobel de physique Enrico Fermi discute à la cafétéria avec des collègues de la possible existence de civilisations extraterrestres et en vient à la conclusion que si une civilisation existait à l’échelle galactique, on aurait déjà dû l’entre apercevoir. Ce paradoxe a donné naissance à de nombreuses tentatives d’explications pour justifier notre absence d’observation. Les explications les plus “funs” étant également les moins crédibles.

Dans un premier lieu intéressons nous à Franck Drake. Il est l’un des instigateurs du programme SETI initié en 1960 au début de l’ère spatiale. Avant de se décider à écouter le ciel il fallait d’abord voir si cela en valait la peine. Lors d’une conférence donnée à Green Bank en 1961 il va présenter à ses collègues une équation de son cru dont le but est de donner une estimation du nombre de civilisations qui devraient se trouver dans notre galaxie. Même si l’on compte des centaines de milliards d’étoiles dans la notre on ne peut pas partir du principe que chaque étoile possède une planète habitée. Il faut affiner les calculs. Drake a élaborer une formule (formule de Drake) permettant de calculer le nombre probable de civilisations pouvant communiquer par ondes radios au sein de notre galaxie.

où :

• N est le nombre probable de civilisations dans notre galaxie (d’où, si N > 1, le nombre de civilisations extraterrestres avec lesquelles nous pourrions entrer en contact) ;

et :

• R* est le nombre d’étoiles en formation par an dans notre galaxie ;
• f_p est la fraction de ces étoiles possédant des planètes ;
• n_e est le nombre moyen de planètes potentiellement propices à la vie par étoile ;
• f_l est la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît effectivement ;
• f_i est la fraction de ces planètes sur lesquelles apparaît une vie intelligente ;
• f_c est la fraction de ces planètes capables et désireuses de communiquer ;
• L est la durée de vie moyenne d’une civilisation, en années.

• R* est le taux de formation de nouvelles étoiles dans notre galaxie

  → estimé par Drake à dix par an : R* = 10 an⁻¹

• f_p est la fraction de ces étoiles possédant des planètes

  → estimé par Drake à 0,5

• n_e est le nombre moyen de planètes par étoile potentiellement propices à la vie (avec l’indice e pour earth-like (« semblable à la Terre »))

  → estimé par Drake à 2

• f_l est la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît effectivement (avec l’indice l pour life (« vie »))

  → estimé par Drake à 1.

  En 2002, Charles H. Lineweaver et Tamara M. Davis (à l’université de Nouvelle-Galles du Sud et avec le Centre australien d’Astrobiologie) ont estimé f_l > 0,33 utilisant un argument statistique basé sur le temps qu’a mis la vie pour se développer sur Terre. Lineweaver a aussi déterminé qu’approximativement 10 % des systèmes planétaires dans notre galaxie sont propices à la vie, ayant des éléments lourds, étant loin des supernovas et étant stables entre eux pendant une période suffisante.

• f_i est la fraction de ces planètes sur lesquelles apparait une vie intelligente

  → estimé par Drake à 0,01.

  Cependant, les systèmes planétaires dans l’orbite galactique avec une exposition aux radiations aussi basse que le système solaire sont plus de 100 000 fois plus rares.

• f_c est la fraction de ces planètes capables et désireuses de communiquer

  → estimé par Drake à 0,01

• L est la durée de vie moyenne d’une civilisation

  → estimé par Drake à 10 000 années.

  Une limite basse de L peut être estimée à partir de notre civilisation avec l’avènement de la radioastronomie en 1938 (daté du radiotélescope parabolique de Grote Reber) jusqu’à l’année courante. En 2017, cela donne une valeur de L égale à 79.

Ce qui donne N = 10 civilisations en mesure de communiquer dans la Voie Lactée.

La valeur de R* est la moins discutée.

Celle de f_p est plus incertaine mais plus constante que les autres valeurs.

f_i, f_c et L sont évidemment plus petits que supposés. f_i a été modifié depuis la découverte du fait que l’orbite du système solaire dans la Galaxie est circulaire, avec une distance telle qu’il est resté en dehors du bras de la Galaxie pendant des centaines de millions d’années.

Dans la pratique, il faut remarquer que l’équation consiste à essayer de déterminer une quantité inconnue à partir d’autres quantités qui sont tout aussi inconnues qu’elle. Il n’existe donc pas de garantie que l’on soit davantage fixé après cette estimation qu’avant.

Il est à remarquer aussi qu’en l’absence d’expérience concrète, le cerveau humain est très mal équipé pour estimer des probabilités à moins d’un %, et que nous parlons dans le langage courant de « probabilité de 1 sur 1 000 » ou « 1 sur 100 000 » pour exprimer en fait que nous estimons quelque chose peu probable. C’est parce que nous estimons mal les probabilités très faibles que des jeux comme le loto perdurent, peu de gens ayant effectué un calcul qui leur donne plus de probabilité de mourir avant le tirage que de gagner un lot d’un montant très important.

Trois astrophysiciens américains, Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne ont été récompensés par le prix Nobel de physique pour l’observation des ondes gravitationnelles, ouvrant une nouvelle fenêtre sur la connaissance de l’univers.

Le jury Nobel a primé “leurs contributions décisives au détecteur LIGO et l’observation des ondes gravitationnelles”, une avancée capitale de la recherche qui confirme une prédiction d’Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale. Leur “découverte a bouleversé le monde”, a souligné le secrétaire-général de l’Académie des sciences, Göran Hansson.

Mais de quoi s’agit-il ?

Il y a très très très longtemps, à plusieurs milliards d’années lumière de notre bonne vieille terre, un duo gigantesque a entamé une danse folle dans le cosmos.

Les danseurs étaient d’énormes trous noirs. En se rapprochant l’un de l’autre, ils ont finalement fusionner brutalement dans un formidable impact. Une collision si intense qu’elle a fait vibrer tout le tissu espace-temps. A l’identique d’une pierre que l’on jette dans une mare et qui fait naitre des ondes à la surface du liquide, la collision des deux monstres cosmiques (ils font respectivement 29 et 36 fois la masse de notre Soleil) a engendré une déformation de l’espace qui s’est propagée telle une onde à la vitesse de la lumière pour nous heurter 1,3 milliards d’années plus tard en avril 2016. De cette collision est né un trou noir super massif  de 62 masses solaires. Or, si vous faites le calcul, 29 + 36 = 65 et non pas 62 ! En effet, dans cette fusion cataclysmique, probablement l’événement le plus violent dans l’Univers ce jour là, l’équivalent de la masse de trois Soleil a été convertie en ondes gravitationnelles, délivrant une puissance de plus de 10 puissance 50 watts, une énergie monstrueuse, inimaginable… Le phénomène a été baptisé GW150914, et il est est entré dans l’histoire de l’astronomie. Car en une demi-seconde, plus un siècle de travail théorique et technique, les scientifiques ont observé pour la première fois la fusion de trous noirs et ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers…

Sur son passage, cette onde dilaterait puis contracterait l’espace. Ainsi, en théorie, tout objet qui se trouve sur le trajet d’une onde gravitationnelle voit sa longueur varier : tout se passe comme si l’espace entre les atomes de ses molécules se distendait puis se resserrait. Ce surprenant constat indiquant qu’au loin deux astres massifs se rapprochent l’un de l’autre pour rentrer en collision ou encore qu’une étoile explose, éjectant son enveloppe.

Une révolution dans l’histoire des sciences. Le site d’études scientifiques LIGO a capté le signal caractéristique d’une onde gravitationnelle. L’information a été confirmée le jeudi 11 février 2016 lors d’une intervention conjointe à Paris des chercheurs de LIGO hanford et Livingstone (photo ci-dessous)

 

et de leurs homologues de VIRGO (photo ci-dessous),

installation quasi-identique située en Italie et dont le CNRS est membre fondateur : il s’agit de la 1ère détection de la “vibration de l’espace-temps” prédite par Albert Einstein. Celui-ci affirme en effet que tout déplacement de masse – de manière non symétrique – dans un point de l’univers doit créer une vague qui se propage à travers le cosmos, Système solaire et Terre compris. Au passage de cette vague gravitationnelle, une portion de l’espace se dilate puis se contracte avant de retrouver sa forme initiale. Et c’est la trace de ce passage à travers la Terre qui a été détectée.

Ci dessus, la salle de contrôle de l’observatoire Ligo

Avec la confirmation de cette information, c’est la consécration pour l’observatoire scientifique américain qui, après une amélioration technique en septembre 2015, explore désormais un volume d’Univers dix fois plus important qu’auparavant. LIGO s’étend sur deux sites aux deux extrémités des Etats-Unis, l’un à Hanford (État de Washington) – à l’ouest du pays – l’autre à Livingstone (Louisiane), au sud-est. Une transformation qu’a amorcée également en ce début d’année – mais plus tardivement – l’observatoire franco-italien Virgo situé près de Pise (Italie). Tous deux utilisent un interféromètre. Son principe : un rayon laser est envoyé sur un miroir qui le sépare en deux faisceaux. Chacun d’entre eux parcourt l’un des bras pluri-kilométriques à l’extrémité duquel un miroir renvoie le faisceau. Après plusieurs allers-retours pour augmenter la précision, le faisceau sort du bras pour croiser l’autre faisceau avec lequel il se recompose. Si les deux faisceaux ont parcouru la même distance, ils reviennent pile au même moment à l’intersection : si l’on soustrait la forme d’un faisceau de l’autre, le résultat est nul. En revanche, si une onde gravitationnelle a raccourci ou rallonge l’un des bras, l’un des faisceaux sort un peu avant ou après l’autre. Ce déphasage fait que le résultat de la soustraction des deux faisceaux ne sera pas nul. On conclut alors au passage d’une onde gravitationnelle. C’est cette “vibration” qu’aurait donc détecté LIGO. 

Mieux encore, la source de ces ondes gravitationnelles se situerait dans l’hémisphère sud, une hypothèse permise grâce à la comparaison des temps d’arrivée des ondes gravitationnelles dans les deux détecteurs situés d’un bout à l’autre des Etats-Unis (7 millisecondes d’écart) et l’étude des caractéristiques des signaux mesurés par LIGO et Virgo. “Cette découverte nous ouvre un vaste champ de recherches”, se félicite Benoît Mours, astrophysicien au laboratoire d’Annecy-le-Vieux. C’est même une “nouvelle astronomie” qui vient de voir le jour comme l’a relevé l’Académie des Sciences. En effet, sans un tel instrument, les chercheurs ne seraient jamais parvenu à détecter la fusion de ce duo de trous noirs.

En prouvant leur efficacité, ces détecteurs d’ondes gravitationnelles fournissent donc un nouvel outil pour scruter et comprendre notre univers.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par Albert Einstein voici un siècle exactement, dans sa théorie de la relativité générale. Pour le génial physicien, il s’agit des déformations de la trame de l’espace-temps, déformations induites par les masses en mouvement. On le sait, l’espace-temps Einsteinien est courbe, courbe et lisse. Mais si une masse se déplace dans le cosmos, elle creuse l’espace-temps et le ride. Ces rides, ces ondes gravitationnelles, se propagent, comme la lumière, à 300 000 kilomètres par seconde. Sauf que, jusqu’à ce jour, elles n’avaient jamais été observées. Les preuves que la relativité générale est aujourd’hui et depuis cent ans la théorie la plus précise et la plus féconde pour expliquer le cosmos à grande échelle sont légions : l’espace-temps courbe relativiste a été testé jusqu’à de sidérantes, sidérales précisions. Mais les ondes gravitationnelles, extraordinairement ténues, Einstein lui-même pensait qu’on ne les détecterait jamais…

Car les ondes gravitationnelles, on a cherché à les détecter, dès 1960. Et à la fin du XX e siècle, les scientifiques ont mis les bouchées doubles, en construisant trois immenses instruments, Ligo et Virgo. Des instruments identiques dans leur principe : il s’agissait de mesurer avec une précision absolue la distance entre deux masses tests, afin de détecter l’éventuelle passage d’une onde gravitationnelle, celle-ci, déformant l’espace pendant son passage, changerait imperceptiblement la distance entre ces deux masses. Pour ce faire les physiciens ont donc conçu des interféromètres de Michelson géants, c’est à dire des bancs optiques en forme de L, aux deux bras perpendiculaires, longs de 4 kilomètres pour Ligo, de 3 kilomètres pour Virgo, à l’extrémité desquels se trouvent les masses tests, à savoir des miroirs… Dans ces deux bras, soumis à un vide spatial, un faisceau laser circule continuellement. Les faisceaux réfléchis par chaque miroir sont mis en phase, les opticiens disent qu’ils forment des franges d’interférence. C’est en observant ces franges, qui doivent rester immobiles, que les physiciens attendent le passage d’une onde gravitationnelle. Un déphasage – correspondant à une distance parcourue moindre ou supérieure par le laser – était censée signer la déformation spatio-temporelle induite par le passage de l’onde…
Décrit comme cela, ça à l’air tout simple, mais en réalité, cette expérience de physique était un pari fou… Car des quatre « forces de la nature » l’électromagnétisme, les interactions nucléaires fort et faible et la gravitation, cette dernière est de très loin la plus faible : la gravitation est cent milliards de milliards de milliards de milliards (10 puissance 38) de fois plus faible que la force nucléaire qui lie les noyaux atomiques… La gravitation ne se fait sentir qu’en présence de masses considérables, comme les planètes, les étoiles, les trous noirs…

Les ondes gravitationnelles, qui font frissonner l’espace-temps courbe de la relativité générale, sont plus faibles encore. Jugez-en : le système solaire entier émet sous forme d’ondes gravitationnelles une puissance de… 5000 watts ! C’est la puissance d’un projecteur de stade de football… On comprend que Albert Einstein n’ai jamais cru à leur détection.
En revanche, les astres tout à la fois denses, compacts et en interaction peuvent émettre une quantité considérable d’énergie sous forme gravitationnelle : le pulsar double PSR B1913+16, avec ses deux étoiles à neutrons qui se tournent l’une autour de l’autre à la vitesse de 450 kilomètres par seconde, émet environ 10 puissance 24 watts, cela représente 2 % de la puissance rayonnée du Soleil… Quant à la fusion de deux trous noirs, comme celle qu’a observée Ligo, elle dépasse 10 puissance 50 watts, c’est à dire environ cinquante fois l’énergie produite sous forme de lumière par… l’Univers entier.
Mais les ondes gravitationnelles, comme les rides de l’eau d’un lac provoquée par la chute d’une feuille, s’amortissent progressivement… Et le lac cosmique est infini ou presque : de fait, les ondes gravitationnelles attendues par Ligo ou Virgo sont incroyablement ténues : l’espace, dans l’intervalle des miroirs des interféromètres, doit s’allonger – et se contracter dans l’autre bras perpendiculaire – de 10 puissance moins 19 mètre, soit du dix millième du diamètre d’un proton. On comprend, dès lors, que les interféromètres détectent avant tout du bruit de fond… Rumeurs de la Terre, mouvement des vagues lointaines, des masses atmosphériques, des voitures passant au loin, d’une petite souris grattant la terre sous l’interféromètre… Discriminer le signal, d’une ténuité surréaliste, des ondes gravitationnelles, du bruit ambiant, tel était le défi fou des ingénieurs et physiciens, de part et d’autre de l’Atlantique…
Pari gagné par l’équipe de Ligo, donc et son instrument rénové en 2015, appelé désormais Advanced Ligo. Advanced Ligo a commencé à observer en septembre 2015, avec en particulier un « round » d’observation de soixante heures d’affilée des deux antennes ensemble, une première.

C’est à cette occasion que, à leur immense stupéfaction, les ingénieurs et physiciens de l’équipe Ligo ont repéré, dans les données de leurs interféromètres ultra-précis, deux signaux identiques, à 3000 kilomètres de distance, et ayant exactement le profil d’une onde gravitationnelle… Encore une fois, la détection est indiscutable, et ce sont en tout… mille auteurs qui ont publié aujourd’hui l’article fondateur de l’astronomie gravitationnel dans les Physical Reviews Letters. Un article partagé gratuitement avec le public, donc, et d’une simplicité confondante, comme, souvent, les grandes découvertes scientifiques… Il est à noter que l’équipe américaine de Ligo a partagé la découverte avec l’équipe franco-italienne de Virgo, qui a participé à la naissance de cette nouvelle astronomie, en particulier grâce aux travaux fondateurs, en France, de Alain Brillet, Nathalie Deruelle et Thibault Damour, à l’Institut des Hautes Etudes Scientifiques (IHES).

Cette observation extraordinaire ouvre probablement une nouvelle ère de l’astronomie et de la physique.

Les chercheurs espèrent pouvoir, avec les trois instruments de Ligo et Virgo ensemble, détecter et repérer plus précisément de nouveaux événements gravitationnels : explosions de supernovae, fusions d’étoiles à neutrons, fusion de trous noirs… Si ces événements sont rarissimes, le volume d’espace gigantesque embrassé par Ligo et Virgo promet, en principe, de nombreuses observations par an. Alain Riazuelo, chercheur à l’Institut d’Astrophysique de Paris, spécialiste de la modélisation des trous noirs, est optimiste : « Les anciennes versions de Ligo et Virgo n’avaient peut-être qu’une chance par siècle de détecter quelque chose. C’était trop peu, d’ailleurs, ils n’ont rien trouvé… Avec Advanced Ligo et Advanced Virgo, on devrait passer à une coalescence d’étoiles à neutrons ou de trous noirs par mois, voire par semaine. La prochaine génération d’interféromètres, comme le Einstein Telescope, dont les bras mesureront dix kilomètres, pourrait permettre d’observer l’Univers entier, alors, on pourrait avoir une découverte par jour, puis pourquoi pas, une toutes les heures… ».

Cette nouvelle fenêtre sur l’Univers, entr’ouverte aujourd’hui, devrait à l’avenir s’ouvrir toute grande : un clone de Ligo, Ligo India, doit être installé bientôt en Inde, les Japonais terminent la construction de leur propre télescope gravitationnel, Kagra, dans la mine de Kamioka, à côté du détecteur de neutrinos SuperKamiokande, et l’Europe, après ce spectaculaire succès, devrait bientôt donner le feux vert au télescope Einstein, un « super Virgo » actuellement à l’étude.

L’astronomie gravitationnelle promet d’observer les événements les plus violents de l’Univers, jusqu’ici demeurés invisibles : cœur d’étoiles supergéantes s’effondrant en trous noirs, fusions d’étoiles et fusions de trous noirs, chutes d’étoiles dans des trous noirs, ou encore fusions de trous noirs galactiques… Un rêve de physicien : comprendre mieux les trous noirs et leurs propriétés étranges, découvrir, peut-être, un écart de leur comportement à la loi d’airain d’Einstein, écrire, enfin, les premières pages d’une nouvelle physique…

A plus long terme, c’est même le premier souffle de l’Univers, le « Aum » originel, émis au moment même du big bang, dont les télescopes gravitationnels pourraient entendre l’écho, partout dans le ciel.

Le rêve d’Einstein (14/03/1879 – 18/04/1955)

Il y a 100 ans, nous aurions pu être les témoins d’un des plus grands mystères de la science moderne. Un mystère si profond qu’encore aujourd’hui des milliers de scientifiques essayent toujours de le résoudre.

Albert Einstein a passé les 20 dernières années de sa vie dans le New jersey, à Princeton, à essayer de trouver une théorie unique, si puissante, qu’elle décrivait tous les mécanismes de l’Univers. Il recherchait les équations permettant d’établir la théorie du TOUT, et était convaincu qu’il allait faire la découverte la plus importante de l’histoire des sciences. Mais le temps lui a manqué pour réaliser son rêve…

Aujourd’hui, plus d’un siècle plus tard, son objectif d’unification, combiner toutes les lois de l’univers en une seule et unique théorie est devenu le saint Graal de la physique moderne. On pense même avoir peut être réalisé le rêve d’Einstein avec une théorie radicalement nouvelle baptisée: «Théorie des cordes”. Et si cette dernière se vérifie, nous ne sommes pas au bout de nos surprises.

Selon cette théorie, nous vivons dans un univers où réalité et science-fiction se rejoignent. Un univers en 11 dimensions, avec des univers parallèles aux coins de notre rue. Un univers élégant, composé uniquement de la musique de ces cordes. Cette ambitieuse théorie qui sonne compliquée repose en réalité sur une idée étonnamment simple. Elle postule que tout dans l’univers, de la plus infime particule à l’étoile la plus massive la plus lointaine, est fait d’un même ingrédient. Des brins d’énergie vibrante, incroyablement petits qu’on appelle des cordes. Tout comme une corde de guitare peut donner naissance à une grande variété de notes musicales, les cordes minuscules de notre théorie vibrent selon une multitude de modes différents, constituant ainsi tous les éléments de la nature. En d’autres termes, l’univers serait comme une formidable symphonie cosmique, raisonnant de toutes les notes que peuvent produire les vibrations de ces petits brins d’énergie. La théorie des cordes n’en est encore qu’à ses balbutiements, mais elle révèle déjà une image totalement inédite de l’univers, à la fois merveilleuse et insolite.

Mais qu’est ce qui nous permet de penser, nous pauvres humains, que nous pouvons comprendre la complexité de l’univers ? Sans parler de la réduire à une seule théorie du Tout. Comment saurons-nous que nous sommes capables de comprendre les lois les plus profondes de l’univers ? Pour les physiciens d’aujourd’hui, cela ne fait aucun doute. Je vous invite à reprendre là où Einstein a laissé sa quête de l’Unification.

L’Unification ou l’esprit de Dieu

Cette Unification consiste en l’élaboration d’une loi unique décrivant sans doute l’univers connu, à partir d’une seule idée. D’une équation maîtresse. Nous envisageons comme possible cette équation maîtresse car depuis des années, notre compréhension de l’univers nous a donné un faisceau d’explications qui tendent absolument toutes vers un seul et même point. Elles semblent bien converger vers une seule idée en or, que nous cherchons encore sans pouvoir la trouver. Cette quête de l’unification existait bien avant Einstein. C’est en effet Isaac Newton qui, à mon sens, en fût véritablement à l’origine.

Un jour de l’année 1665, un jeune homme assis sous un arbre, nous dit-on, vit une pomme tomber devant lui. Avec cette chute d’un fruit, Isaac Newton révolutionna notre image de l’Univers. Dans une hypothèse audacieuse pour son temps, il affirme que la force qui attire les pommes vers la terre est la même que la force qui maintient la lune en orbite autour de la terre. D’un seul coup, il unifie les cieux et la terre en une théorie unique qu’il appelle : Gravité.

La gravité ou gravitation (G):

La G était la première force que l’on comprenait scientifiquement, mais trois autres encore allaient finalement suivre. Et bien qu’Isaac Newton ait découvert sa loi de la gravité il y a plus de 300 ans, ses équations décrivant cette force font de si exactes prédictions que nous continuons aujourd’hui à les utiliser pour envoyer des satellites dans l’espace. Ce sont mêmes elles qui ont permis aux scientifiques de calculer la trajectoire de la fusée qui a transporté l’homme sur la lune.

Mais il y a un problème ! Si ces lois décrivent la force avec une grande précision, Newton dissimule pourtant un secret embarrassant. Il n’a pas la moindre idée de la façon dont elles fonctionnent et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’Einstein va changer la donne.

A cette époque, il médite sur le comportement de la lumière. Il est loin de se douter que ses rêveries l’amèneront à résoudre le mystère de la G. A 26 ans, il va faire une découverte stupéfiante: La vitesse de la lumière est une sorte de limite de vitesse cosmique. Une vitesse que rien dans l’univers ne peut excéder. L’ennui c’est que l’idée que rien ne peut se déplacer plus vite que la lumière va à l’encontre de la vision Newtonienne de la gravité. Pour comprendre ce conflit procédons à quelques expériences mentales. Créons pour commencer une catastrophe cosmique ! Imaginons que tout à coup, sans le moindre avertissement, notre Soleil s’évapore et disparaisse complètement. Quel en serait l’effet sur les planètes selon Isaac Newton ? En cas de destruction du soleil, Isaac Newton prédit que la force d’attraction de notre étoile n’existant plus, alors la terre n’est plus soumise à cette force et donc quitte son orbite de même que toutes les planètes du système solaire soumises à l’attraction de l’étoile. En d’autres termes, Newton imaginait la gravité comme étant une force agissant instantanément à n’importe quelle distance. Ainsi, nous ressentirions instantanément l’effet de la destruction du soleil. Einstein voyait un énorme problème dans cette théorie. Il savait que la lumière ne se propage pas instantanément. Il faut en effet aux rayons du soleil 8 minutes pour qu’ils parviennent à parcourir les 150 millions de kilomètres qui séparent notre étoile de la terre. Et puisqu’il a démontré que rien, pas même la gravité ne peut aller plus vite que la lumière, alors comment la terre pourrait-elle quitter son orbite avant même que l’obscurité résultant de la disparition du Soleil ne touche notre planète ? Puisque rien ne peut excéder la vitesse de la lumière, alors, la vision newtonienne de la gravité est donc fausse ! Mais si Isaac Newton se trompe, pourquoi les planètes ne tombent elles pas ? Les équations de Newton permettent de calculer leur trajectoire et de calculer leur position dans le ciel avec une étonnante précision. Einstein se devait de résoudre ce dilemme. A 30 ans,  il va créer une image de l’univers dans laquelle la gravité n’excède pas la vitesse de la lumière. Au bout de 10 années d’intense remue-méninges, il trouve la réponse dans un nouveau genre d’unification. Il va finir par envisager les 3 dimensions de l’espace et la dimension unique du temps comme liées dans un même tissu d’espace-temps. Il espérait que cette compréhension de la géométrie de ce tissus quadridimensionnel lui permettrait de parler tout simplement d’objets évoluant le long des surfaces de cet espace-temps. Comme la surface d’un trampoline, ce tissus uniforme est distendu par des objets lourds comme les planètes ou les étoiles. C’est cette déformation, ou courbure de l’espace-temps qui crée ce que l’on ressent comme la gravité. Une planète comme la terre est donc en orbite non parce que le Soleil la contrôle et s’en empare de façon instantanée comme dans le théorie de Newton, mais simplement parce qu’elle suit les courbes du tissus spatial, courbes causées par la présence du Soleil.

Avec cette nouvelle compréhension de la gravité, rejouons notre catastrophe cosmique. Si le Soleil disparaissait, la perturbation gravitationnelle qui en résulte va se propager sous forme d’une vague au travers du tissu spatial de la même manière que des ondulations se propagent à la surface de l’eau quand on jette un caillou dans une mare.

Nous ne sentirions donc aucun changement dans notre orbite autour du soleil jusqu’à ce que cette vague atteigne la terre. Einstein précise même dans ses calculs que ces vagues voyagent exactement à la vitesse de la lumière. Ainsi, avec cette nouvelle approche, il résout le conflit avec Newton de savoir à quelle vitesse la gravité se propage. Et surtout, il donne au monde une nouvelle image de ce qu’est réellement la gravité. Ce sont des courbes et des distorsions dans le tissu même de l’espace et du temps.

Il appelle cette nouvelle image de la gravité: La relativité générale. Malgré cette incroyable réussite, il n’est pas satisfait et se donne un autre objectif : L’unification de la nouvelle image de la gravité avec la seule autre force connue à cette époque, l’électromagnétisme.

L’électromagnétisme :

l’électromagnétisme est une force qui elle-même n’avait été unifiée que quelques décennies auparavant. Au milieu du XIXème siècle, l’électricité et le magnétisme éveillent l’intérêt des scientifiques. Ces deux forces semblent reliées par une curieuse relation que les inventeurs comme Samuel Morse mettent à profit pour créer des dispositifs totalement nouveaux tels que le télégraphe. Un signal électrique envoyé au travers d’un fil télégraphique jusqu’à un aimant distant de plusieurs milliers de kilomètres produit les points et les traits familiers des messages d’un bout à l’autre du continent américain en une fraction de seconde. Pour un physicien écossais du nom de James Clark Maxwell,

Le lien entre électricité et magnétisme est tellement évident dans la nature qu’il réclame l’Unification. Quand un flux de particules chargées électriquement circule, il crée un champ magnétique vérifiable à l’aide d’une boussole. Maxwell veut établir la connexion entre électricité et magnétisme en langage mathématique. il parvient à échafauder 4 équations mathématiques élégantes qui unifient l’électricité et le magnétisme en une forme unique baptisée électromagnétisme.

Tout comme newton avant lui, Maxwell permet ainsi à la science de franchir une nouvelle étape vers le décryptage du code secret de l’univers. ce qui était impensable pour l’époque c’était que ces phénomènes soient connectés. Einstein est alors convaincu de pouvoir unifier sa théorie de la relativité avec celle de l’électromagnétisme de Maxwell.

Il veut reformuler la fameuse équation maitresse qui peut décrire tout l’univers dans son intégralité. Il est persuadé qu’il existe un phénomène grandiose qui régit l’univers dans son ensemble. Il voulait connaitre l’esprit de Dieu, voir le tableau dans son intégralité.

C’est aujourd’hui l’objectif de la théorie des cordes. Unifier notre compréhension de tout, depuis la naissance de l’univers jusqu’au tourbillon majestueux des galaxies au sein d’une seule et même série de principes, une équation maîtresse. Newton a unifié les cieux et la terre avec la théorie de la gravité, Maxwell a unifié l’électricité et le magnétisme, Einstein en a donc conclu que pour construire une théorie du Tout, une théorie unique pouvant englober toutes les lois de l’univers, il ne lui restait plus qu’à fusionner sa nouvelle vision de la gravité avec l’électromagnétisme . Mais lorsqu’il commence à travailler, il s’aperçoit que la différence d’intensité entre ces deux forces l’emporte sur leurs similarités. On a tendance à penser que la gravité est une force très puissante, mais comparée à l’électromagnétisme elle est en réalité extrêmement faible. Lorsque vous lancez un ballon du haut d’un toit, il chute et heurte le sol, entrainé par la gravité. Lorsqu’il rentre en contact avec le sol, il heurte les constituants de ce dernier, des molécules et des atomes qui construisent le bitume ou le sol sur lequel le ballon est tombé. Pourquoi le ballon ne traverse-t-il pas le trottoir pour rejoindre le centre de la terre ? Aussi curieux que cela puisse paraître, la réponse c’est l’électromagnétisme. Tout ce que nous voyons, vous, moi, le ballon, le trottoir est constitué d’éléments de matière appelés: atomes. La coquille externe de chaque atome contient une charge négative. Lorsque les atomes du ballon entre en contact avec ceux du ciment, ces charges électriques se repoussent avec une telle force qu’un petit morceau du trottoir peut résister à toute la gravité terrestre et arrêter la chute de n’importe quel objet. En réalité, la force électromagnétique est des milliards de milliards de fois plus importante que la gravité. Cette dernière agit sur de gigantesques conglomérats de matière (vous, moi, la terre, le soleil) tandis qu’à l’échelle atomique, elle devient une force étonnement faible.

Einstein va donc tenter de relier la gravitation avec l’électromagnétisme . Malheureusement, durant cette période, les avancées scientifiques vont le laisser un peu en retrait. Il avait obtenu de tels résultats en 1920 qu’il pensait pouvoir utiliser les mêmes outils théoriques avec le même succès. Mais ce ne fut pas le cas. Dans les années 20 et 30, on a découvert la nature sous un nouveau jour. Et les outils dont disposait Einstein et qui s’étaient montrés tellement efficaces en son temps n’étaient plus applicables.

En effet, dans les années 20, un groupe de chercheurs a volé la vedette à Einstein avec une manière nouvelle et excentrique de penser la physique. Leur vision de l’univers est tellement insolite qu’elle relègue la science-fiction au rang de pâle copie et ébranle la quête d’unification d’Einstein. Conduits par le physicien danois Niels Bohr (Photo ci-dessous).

Ces scientifiques découvrent une facette entièrement nouvelle de l’univers. Les atomes, longtemps considérés comme les plus petits éléments de la nature s’avèrent constitués de particules encore plus petites. Or les théories d’Einstein et de Maxwell ne peuvent expliquer la façon bizarre dont ces petits bouts de matière interagissent les uns avec les autres à l’intérieur de l’atome. La  gravité ne peut s’appliquer, elle est trop faible, et l’électromagnétisme n’explique rien non plus. En l’absence d’une théorie expliquant cet étrange nouveau monde, les scientifiques errent dans un territoire atomique inconnu à la recherche de n’importe quel repère identifiable.

Vers la fin des années 20, tout va changer ! Les physiciens développent une nouvelle théorie appelée: Mécanique quantique. une théorie capable de décrire le monde microscopique avec beaucoup de succès. Mais cette théorie est tellement radicale qu’elle pulvérise nos précédentes façons de concevoir l’univers.

Les théories d’Einstein présupposent un univers organisé et prévisible. Mais Niels Bohr n’est pas d’accord. Ses collègues et lui proclament qu’à l’échelle des atomes et des particules, le monde est un jeu de hasard. C’est un monde où règne l’incertitude. le mieux que l’on puisse faire d’après la mécanique quantique c’est de prédire les chances et probabilités d’avoir un résultat plutôt qu’un autre (article sur l’expérience de pensée du chat de Schrödinger).

Et cette idée singulière donne naissance à une vision inédite et troublante de la réalité. Tellement troublante que si les caractéristiques saugrenues de la mécanique quantiques étaient perceptibles dans la vie de tous les jours, nous penserions avoir perdu la tête. Pendant plus de 80 ans la mécanique quantique a affirmé avec succès que le bizarre et l’étrange étaient typiques de la façon dont notre univers se comporte à des échelles infiniment petites. A l’échelle de la vie quotidienne nous ne ressentons pas directement l’étrangeté de cette mécanique. Si il y a mille possibilités et que la mécanique quantique ne peut pas dire la quelle est la bonne, alors les milles se réaliseront. Nous avons le droit de douter, de dire que ce raisonnement est faux, mais l’expérience en physique nous a souvent prouvé qu’il y a eu beaucoup de choses qui semblaient fausses à l’époque de leur découverte et qui se sont révélées vraies aujourd’hui.

Il faut être prudent avant de dire: “c’est forcément faux !”

Même dans notre propre univers, pour la mécanique quantique, il y a une chance pour que les choses que l’on pense habituellement impossibles puissent quand même se produire. Ainsi, il existe une possibilité que des particules traversent un mur ou une barrière que vous et moi considérons comme impénétrable. Il y a même une chance pour que les atomes d’une chaise se mettent tous à vibrer dans la même direction entrainant le meuble sur une trajectoire rectiligne sans aucune aide extérieure. Mais tous les calculs quantiques nous montrent bien que la probabilité qu’une telle chose se produise dans le monde qui nous entoure est tellement mince qu’il faudrait rester à observer la chaise pendant une éternité pour espérer la voir bouger de quelques nanomètres !

Il faut apprendre à oublier les idées reçues sur notre monde pour comprendre la mécanique quantique. Au fond de moi, ai-je l’impression de comprendre profondément et  instinctivement cette mécanique ? Non bien sûr, et Einstein non plus. Il restera convaincu jusqu’au bout que l’univers se comporte de façon sûre et prévisible. L’idée que l’on ne peut que calculer des probabilités, que les choses tournent d’une façon ou d’une autre est un concept auquel il s’opposait farouchement. La mécanique quantique affirme qu’on ne peut connaitre avec certitude l’issue d’une expérience. On en peut qu’assigner une probabilité aux résultats de chaque expérience et cela déplaisait profondément à Einstein, il disait :”Dieu ne joue pas aux dés !” Et pourtant, les unes après les autres, les expériences montrent qu’Einstein avait tort et que la mécanique quantique décrit effectivement le fonctionnement du monde à l’échelle subatomique. Cette physique n’est donc pas un luxe, une lubie, quelque chose dont on peut se passer. Dès l’instant ou l’on veut comprendre quelque chose au niveau subatomique, on ne peut que progresser avec la mécanique quantique. Elle est extraordinairement exacte. Il n’est encore jamais arrivé qu’une prédiction faite grâce à la mécanique quantique contredise une observation.

Au début des années 30, la quête d’unification d’Einstein piétine. Alors que la mécanique quantique dévoile les secrets de l’atome. Les chercheurs s’aperçoivent que la gravité et l’électromagnétisme ne sont pas les seules forces à agir au cœur de la matière. En sondant la structure de l’atome, ils découvrent deux nouvelles forces ; la première est l’interaction forte qui agit comme une “super glue” et permet la cohésion entre les protons et les neutrons au cœur du noyau atomique. La seconde, l’interaction faible, permet au neutron de se transformer en proton (ou l’inverse) tout en émettant des radiations.

A l’échelle quantique, l’interaction qui nous est la plus familière, la gravité est totalement éclipsée par l’électromagnétisme et ces deux nouvelles forces. Les interactions faibles et fortes peuvent nous paraître obscures, mais il est au moins un aspect de leur puissance dont nous sommes tous conscient.

A exactement 05h29, le matin du 16 juillet 1945, cette puissance allait être révélée par un autre acte qui allait changer le cours de l’histoire. Au beau milieu du désert du nouveau Mexique, au sommet d’une tour haute de 30 mètres environ, la toute première bombe atomique était activée; Cette bombe de 1,5 mètre de large renferme une puissance équivalente à 20 000 tonnes de TNT. Avec cette gigantesque explosion, les scientifiques libèrent une interaction forte qui maintien les protons et les neutrons soudés dans le noyau. En brisant l’emprise de cette “colle” en explosant l’atome, on libère des quantités inimaginables d’énergie destructrice. On peut encore détecter sur le site des traces de cette explosion grâce à l’interaction faible. C’est en effet elle qui est responsable de la radioactivité mesurable sur le site de l’expérience.

Même si en comparaison avec la gravité et l’électromagnétisme les forces nucléaires agissent à une échelle qui semble minuscule, leur impact sur la vie quotidienne est tout aussi considérable.

Une question se pose malgré tout. Quelle est la place de la gravité, de la relativité générale d’Einstein, à l’échelle quantique ?

La mécanique quantique nous dit comment œuvrent les forces de la nature dans le domaine subatomique à l’exception de la gravitation. Personne ne sait encore comment elle opère au sein de l’atome. Nous n’arrivons pas encore à mettre la mécanique quantique et la relativité générale dans le même “paquet”.

A partir de 1933, Einstein décide de ne pas s’engager dans la voie de cette nouvelle physique. Les lois de cette mécanique quantique n’auront aucune place dans ses recherches ultérieures. Il est devenu un vieillard sympathique et hésitant, qui a mené une révolution mais qui s’est ensuite laissé distancer. Il s’éteindra le 18 avril 1955 à 76 ans et son rêve d’unification semble avoir disparu avec lui. Cette quête devient un bras mort de la physique. Plus aucun physicien sérieux ne s’est engagé dans cette voie. Depuis lors, la physique s’oriente dans 2 directions différentes. Une qui étudie la relativité générale pour l’étude des objets lourds de l’infiniment grand telles que les planètes, les étoiles, les galaxies et l’autre qui utilise la mécanique quantique pour l’étude des objets infiniment petits. C’est un peu comme si il existait deux familles vivant sous le même toit mais ne parvenant pas à discuter et à s’accorder. Néanmoins, notre compréhension de l’univers progresse chaque jour davantage même si l’on se heurte parfois à un obstacle. Ces facettes étranges du cosmos qui ne pourront pas totalement être comprises sans une théorie unifiée et ce n’est nulle part plus évident que dans les profondeurs d’un trou noir.

C’est un astronome allemand, Karl Schwarzschild

Qui en 1916 définit le premier ce qu’on appelle aujourd’hui un trou noir. Il est aussi le premier à avoir défini les lois d’interaction entre les champs magnétiques et la lumière, et à avoir décrit les phénomènes de courbure des rayons lumineux au voisinage de points gravitationnels, contribuant ainsi à fonder la théorie du trou noir.

C’est durant la première guerre mondiale, engagé sur le front russe par l’armée allemande en tant qu’artilleur, qu’il propose une nouvelle façon d’aborder les équations de la relativité générale et de les résoudre. Il s’aperçoit qu’une énorme quantité de masse, comme celle d’une étoile très dense, concentrée dans une petite zone, déformerait tant le tissu de l’espace-temps que rien, pas même la lumière ne pourrait échapper à son champ gravitationnel. Comme il serait très compliqué mathématiquement d’analyser une étoile en rotation ou une étoile non-sphérique, Schwarzschild se limita aux étoiles sphériques qui ne tournent pas. Il s’intéressa d’abord à décrire mathématiquement l’extérieur de l’étoile, reléguant à plus tard leur étude interne. Quelques jours plus tard, il avait calculé, dans tous ses détails, à partir des équations d’Einstein, la courbure de l’espace-temps à l’extérieur de n’importe quelle étoile sphérique qui ne tourne pas. Le calcul était élégant, et la géométrie courbe qu’il prédisait, la géométrie de Schwarzschild, devait avoir un immense impact sur notre compréhension de l’Univers. Il envoya donc une lettre à Einstein lui décrivant ses calculs, qu’Einstein présenta au nom de celui-ci à l’Académie des sciences de Prusse le 13 janvier 1916. Quelques semaines plus tard, Einstein présenta un second article de Schwarzschild : le calcul exact de la courbure à l’intérieur d’une étoile. À peine quatre mois plus tard, le 19 juin, Einstein annonça la mort de Schwarzschild à l’Académie des sciences de Prusse, à la suite d’une maladie contractée sur le front russe.

Pendant plusieurs dizaines d’années, les physiciens ont douté que les calculs de l’allemand soient plus qu’une simple théorie. Mais aujourd’hui, les satellites télescopes qui sont en orbite autour de la terre et qui scrutent l’espace, découvrent des régions avec un gigantesque champ gravitationnel que l’on considère comme étant des trous noirs. La théorie de Schwarzschild est devenue réalité.

Une question se pose alors. Si l’on considère le fin fond d’un trou noir où la matière s’est condensée jusqu’à n’être plus qu’un minuscule point dans l’espace. Faut-il appliquer les règles de la relativité générale parce qu’elle est incroyablement lourde ou celles de la mécanique quantique parce qu’elle est infiniment petite ? Le centre d’un trou noir est à la fois petit et lourd ! On doit donc utiliser les théories en même temps. Mais lorsqu’on essaye de réunir ces deux lois, leurs prédictions deviennent incohérentes. L’univers n’est pas incohérent, il a un sens qu’il faut arriver à percer. Avec la théorie des cordes, nous avons peut être obtenu un moyen de relier l’infiniment grand et l’infiniment petit pour donner un sens à l’univers à toutes les échelles et en tous lieux.

Plutôt qu’une multitude de particules minuscules, la théorie des cordes affirme que tout dans l’univers, toutes les forces et toute la matière se composent d’un seul ingrédient. De minuscules brins d’énergie vibrante qu’on appelle des cordes. Une corde peut frétiller de beaucoup de manières différentes ce qui n’est pas le cas d’une particule. Et ces différentes manières de vibrer correspondent aux différentes particules élémentaires. C’est comme une corde de guitare. Chaque vibration, donc chaque note décrit une particule différente.

Cette théorie a donc un pouvoir d’unification extraordinaire. Elle unifie notre compréhension de toutes ces particules. Cette séduisante théorie est bien sur sujette à controverse. Si elles existent, les cordes sont si petites qu’il y a peu d’espoir de pouvoir en observer une. Si cette théorie ne parvient pas à fournir une prédiction vérifiable, alors, il ne faut pas y croire. Mais étant donnée l’histoire de l’évolution de la physique théorique jusqu’ici, il reste concevable qu’une partie sinon l’ensemble de ces idées finisse par s’avérer correcte. D’ici cent ans, cette période de la naissance de la théorie des cordes restera comme un âge héroïque durant lequel des théoriciens brillants auront réussis a développer une théorie unifiant tous les phénomènes de la nature. Mais elle peut également rester comme un échec tragique…

Histoire de la théorie des cordes :

D’où vient cette théorie étrange et audacieuse ?

Comment peut-elle obtenir l’unification de lois régissant l’infiniment grand et l’infiniment petit ? Comment savoir si elle est juste ou farfelue ?

Aucune expérience à ce jour ne peut vérifier ce qui se passe à de telles distances. On est même en droit de se poser la question de savoir s’il s’agit d’une théorie physique ou à une forme de philosophie. La toute première question qui me vient à l’esprit est la suivante :”Pour quelles raisons ne pourrait-on vivre dans l’univers avec deux théories qui s’affrontent ?

Si c’est le cas, cela ne nous empêche manifestement pas de vivre. On pourrait répondre à cette question par une métaphore. Imaginons une ville dans laquelle existeraient deux codes de la route. Un pour les piétons et un pour les véhicules. Sachant que ces deux codes seraient totalement différents voir, incompatibles. N’y aurait-il pas un moment ou ces deux modes de fonctionnement entreraient en conflit ? Risquant par de là même à créer un déséquilibre sur la façon dont la circulation s’effectuerait dans la ville. Nous en sommes un peu là avec ces deux lois physiques. Il faut donc, pour comprendre notre monde, créer un moyen de réunir ces deux grands ensembles de lois conflictuelles en une seule. Les physiciens partent du principe que cette théorie existe. Ils travaillent “simplement” à mettre en œuvre des moyens ingénieux pour la trouver. Rien n’indique qu’ils vont réussir, mais l’objectif est bien d’arriver à une théorie unique qui gouvernerait tout.

Vers la fin des années 60, un physicien italien, Gabriele Veneziano est à la recherche d’un ensemble d’équations pouvant expliquer l’interaction forte. La colle extrêmement puissante qui maintien le noyau de chaque atome en liant protons et neutrons.

Un jour, il ouvre un livre poussiéreux sur l’histoire des mathématiques et trouve une équation énoncée 200 ans auparavant par un mathématicien suisse, Leonhard Euler.

Veneziano découvrit que la fonction bêta (une fonction eulérienne) utilisée comme amplitude de dispersion, désormais appelée amplitude de Veneziano, possède de nombreuses propriétés pour expliquer les propriétés physiques de l’interaction forte entre les particules. Cette amplitude est actuellement interprétée comme l’amplitude de dispersion pour quatre cordes tachyoniques ouvertes et comme le point de départ de la théorie des cordes. Il est stupéfait de découvrir que cette équation, depuis longtemps connue comme une simple curiosité mathématique, semble décrire une interaction forte. Il publie un article et devient à jamais célèbre pour cette découverte. L’équation d’Euler acquiert alors sa dynamique propre, La théorie des cordes vient de naître.

Au cours du temps, elle se diffuse pour apparaître sur le tableau noir d’un jeune physicien américain, Leonard Susskind.

Il a pensé en la lisant :”Elle est tellement simple que même moi, je peux la résoudre !” Il sait que cette équation est l’expression mathématique de l’interaction forte. Mais sous les symboles abstraits il a entre aperçu quelque chose de nouveau. En réalité, il l’a trituré, dans tous les sens, il a joué avec. il a passé deux mois enfermé dans son grenier et constate enfin que l’équation décrit une particule dotée d’une structure interne qui pourrait vibrer et pas uniquement une particule ponctuelle. Il s’est rendu compte qu’il s’agissait d’une corde, un peu comme un élastique coupé en deux. Cet élastique peut vibrer, mais également osciller et il répond exactement comme solution de l’équation observée. Il rédige alors un article qui présente l’idée révolutionnaire des cordes. Avant d’être publié, son article doit être lu par un comité d’experts. Le retour de leur avis fut glacial :”Assez médiocre, ne mérite sans doute pas d’être publié !” Susskind accuse le coup. Le rejet de son article aurait bien pu sonner le glas de la théorie des cordes. De surcroit, au même moment, la physique traditionnelle est en train de s’orienter vers une idée de particules en forme de points et non de cordes… C’est au cœur des accélérateurs de particules, en faisant s’écraser les briques élémentaires les unes contre les autres à très grande vitesse, et en étudiant le résultat de ces collisions que l’idée leur est venue. Dans l’avalanche de particules produites, ils découvrent que la nature est bien plus riche qu’ils ne le pensaient. Tous les mois, une nouvelle particule voyait le jour. Le méson rhô, la particule oméga, B, B1, B2, Phi etc…

Plus de lettres que n’en possède la plupart des alphabets.

C’était une véritable explosion démographique, l’effervescence était à son comble. Au cœur de cet ensemble de particules les physiciens ne découvrent pas que des constituants de la matière, ils font une prédiction étrange et surprenante. D’après eux, les particules pourraient aussi expliquer les forces de la nature. à la manière d’un jeu : un jeu dans lequel les particules seraient des joueurs qui s’envoient une balle qui serait elle-même une particule de force. Cette particule de force est appelée “particule messagère”. Par exemple dans le cas de la force électromagnétique, la balle représente un photon, et plus il y a d’échanges de ces particules messagères ou photons, plus forte est l’attraction magnétique. Les scientifiques pensent que c’est cet échange de particules messagères qui crée ce que l’on ressent comme une force. Les expériences ont confirmé cela avec la découverte des particules messagères de l’électromagnétisme, de l’interaction forte et de l’interaction faible.

Du coup le rêve d’Einstein, l’unification des forces, se remet à prendre corps.

Les chercheurs font le raisonnement suivant : si on rembobinait le film cosmique jusqu’aux toutes premières secondes du big bang, lorsque l’univers était des billions de fois plus chaud et plus dense qu’aujourd’hui, les particules messagères de l’électromagnétisme et de l’interaction faible seraient impossibles à distinguer. De même que des glaçons fondent au soleil pour donner de l’eau, les expériences montrent que quand on revient aux conditions de chaleur extrême du big bang, l’électromagnétisme et l’interaction faible se fondent et s’unissent en une seule force, dite force électrofaible. Et en poussant le raisonnement plus loin, si on rembobinait encore un peu plus le film cosmique, la force électrofaible s’unirait à l’interaction forte pour donner une grande super force.

Tout convergeait donc vers une représentation simple des particules connues. On a fini par appeler cette représentation : le modèle standard.
Les prix Nobel se sont alors mis à pleuvoir dans le monde scientifique autant que les particules… Mais derrière les roulements de tambours se cachait une omission flagrante. Le modèle standard explique trois des forces qui régissent le domaine de l’infiniment petit, mais il passe sous silence la force la plus connue, la gravité. Ce qui ne l’empêche pas de s’imposer, rejetant dans l’ombre la théorie des cordes.

En 1973, seule une poignée de jeunes physiciens se débat encore avec les équations obscures de la théorie des cordes. L’un d’eux, John Schwarz,

s’emploie à résoudre ses nombreuses bizarreries. Entre autres, celle d’une mystérieuse particule sans masse prédite par la théorie mais jamais observée dans la nature. Et toute une série d’anomalies ou d’incohérences mathématiques. “On a passé un temps fou à tourner tout ça sous tous les angles, essayant par tous les moyens de parvenir à quatre dimensions et de se débarrasser de cette particule sans masse. Mais on arrivait toujours à un résultat bancal et peu convaincant”, dit-il. Quatre ans durant, Schwarz essaie de discipliner les équations de la théorie des cordes en les changeant, les ajustant, les combinant et les recombinant de différentes façons. En vain. Sur le point d’abandonner, il lui vient soudain une idée géniale. Et si ces équations décrivaient la gravité ? Cela voudrait dire qu’il faudrait revoir complètement la taille de ces minuscules brins d’énergie, la taille des cordes. Si on suppose que les cordes sont 100 milliards de milliards de fois plus petites qu’un atome, l’un des défauts de la théorie devient une qualité. Cette particule sans masse, est en fait un graviton, la particule longtemps cherchée sensée transmettre la gravité au niveau quantique. La pièce qui manquait au modèle standard vient de se mettre en place. Schwarz soumet pour publication sa théorie révolutionnaire décrivant le fonctionnement de la gravité dans l’univers subatomique. Il est rejoint dans sa quête par l’un des seuls autres chercheurs prêts à miser toute leur carrière sur les cordes : Michael Green.

Au début des années 80, si le problème de la mystérieuse particule sans masse semblait être résolu, ils allaient devoir reconnaître qu’il restait dans la théorie des cordes nombre d’aberrations mathématiques, celles appelées précédemment “anomalies”. Une anomalie est quelque chose d’étrange ou de déplacé, qui n’a rien à faire là où on la trouve. Or, en mathématique, les anomalies peuvent signifier l’arrêt de mort d’une théorie physique.

Pour comprendre le problème, utilisons un exemple simple :

Disons que nous avons une théorie dans laquelle deux équations différentes décrivent une même propriété physique de notre univers. Hors si on résout l’une après l’autre ces équations, et qu’on trouve une valeur différente de x dans chacune d’entre elles, on sait que la théorie à des anomalies, puisqu’il ne peut y avoir qu’une seule valeur de x. A moins de revoir les équations pour obtenir la même valeur de x de chaque côté, la théorie s’écroule. On était donc dans l’impasse.

Un soir de l’été 1984, après avoir bataillé pendant 5 ans contre les anomalies de la théorie des cordes, Schwarz et Green parviennent enfin au but.

“Tout le monde pensait que la théorie était incohérente à cause de ses anomalies. Hors pour une raison inexplicable j’étais sûr qu’on se trompait, me disant que cette théorie était forcément juste et qu’il ne pouvait pas y avoir d’anomalie. Alors on a décidé de les calculer”.

Ils reprennent donc ce soir-là les deux équations et calculent dans chaque équation la valeur des anomalies. S’ils obtiennent le même nombre dans les deux équations, ils auront prouvé que la théorie des cordes ne contient en fait pas d’anomalies, puisque les deux équations seront bien égales.

Et effectivement, dans chacune des deux équations, ils trouvent la même valeur, soit “496”, pour les anomalies. Ce qui signifie qu’en remplaçant simplement les anomalies par ce nombre trouvé, les deux équations s’harmonisent, et que du même coup la théorie des cordes non seulement ne comporte plus d’anomalies, mais est capable d’exprimer mathématiquement les quatre forces à l’œuvre dans l’univers à toutes ses échelles. Les cordes pouvaient en effet non seulement décrire la gravitation, mais aussi les autres forces. Le rêve d’unification d’Einstein semblait proche de se réaliser.

La réaction est explosive. En moins d’un an, le nombre de théoriciens des cordes passe d’une poignée à plusieurs centaines. La théorie des cordes est rebaptisée la “Théorie du Tout”. Cette théorie élégante semble capable de décrire tous les éléments constitutifs de la nature. A l’intérieur de chaque grain de sable il y a des milliards de minuscules atomes. Chaque atome est constitué de plus petites bribes de matière, les électrons qui “tournent” autour d’un noyau fait de protons et de neutrons eux-mêmes faits de briques de matière encore plus petite appelées quarks. Mais la théorie des cordes va plus loin. Elle affirme que les particules qui composent tout ce qui existe dans l’univers sont faites d’éléments encore plus petits, de minuscules brins d’énergie en oscillation. Chacune de ces cordes est d’une petitesse inimaginable, si on grossissait un atome pour lui faire atteindre la taille du système solaire, une corde ne serait pas plus grande qu’un arbre.

Idée fondamentale:

De même que les différentes vibrations d’une corde de guitare créent ce que nous percevons comme des notes de musiques différents, les différents modes de vibration des cordes donnent aux particules leurs caractéristiques intrinsèques, comme leur masse, leur charge électrique. Composée d’une multitude de ces cordes oscillantes l’Univers peut être considéré comme une grande symphonie cosmique. Et cette idée attrayante résout le conflit entre l’image imprévisible et heurtée de l’espace au niveau subatomique et le modèle lisse de l’espace à grande échelle. C’est l’opposition entre le caractère saccadé de la mécanique quantique et la régularité de la relativité générale qui fait qu’il est si difficile de concilier les deux, de les réunir. Ce qu’apporte la théorie des cordes, c’est qu’elle calme les saccades de la mécanique quantique. Elle les disperse en reprenant l’ancienne idée d’une particule ponctuelle et en l’étalant pour en faire une corde. Les salades sont toujours là, mais elles sont moins brutales, juste assez pour que la théorie quantique et la relativité générale s’emboîtent parfaitement à l’intérieur du système. C’est un triomphe des mathématiques. Simplement armés de ces minuscules brins d’énergie en vibration, les théoriciens des cordes affirment être en passe de réaliser le rêve d’Einstein : Unifier toutes les forces et toute la matière. Mais cette nouvelle théorie d’avant-garde a elle aussi son talon d’Achille.

Aucune expérience ne peut encore vérifier ce qui se passe à une pareille échelle. Aucune observation ne peut porter sur des distances aussi minuscules. Ou des énergies aussi gigantesques. Il n’existe donc aucune expérience, aucune observation capable d’affirmer cette théorie. Elle est à l’abri de toute contestation, définitivement. Est-ce une théorie physique ou une philosophie ? La question est posée. L’avenir et ses révolutions technologiques prouveront certainement de façon expérimentale la véracité de cette théorie.

Ce qui rend la théorie des cordes encore plus difficile à prouver, c’est que pour fonctionner, ses équations complexes nécessitent quelque chose qui parait relever de la science-fiction. 

Des dimensions spatiales supplémentaires.

Pour être pris au sérieux, les théoriciens des cordes doivent expliquer comment cette étrange prédiction doit être vraie. Or selon eux, cette idée plutôt saugrenue est plus réaliste qu’on ne le pense. Pour se rendre à un rendez-vous on a besoin de 4 informations capitales. Chacune de ces information définie chacune des dimensions de l’espace. Une rue, une avenue, un repérage dans le plan, le numéro de l’étage pour la troisième dimension et l’heure du rendez-vous pour la quatrième dimension. L’étrange idée qu’il existe des dimensions supplémentaires est vieille de près d’un siècle.

En 1919, Théodore Kaluza (1885-1954),

un mathématicien allemand inconnu, a eu le courage de mettre en doute l’évidence dimensionnelle. Il a suggéré qu’il était possible que notre Univers ait eu une dimension supplémentaire que nous n’arrivions pas à voir. Albert Einstein avait même été séduit par l’idée de Kaluza, puis avait semblé plus hésitant et durant deux ans avait retardé la publication de l’article de Kaluza. Finalement, l’article est publié, Einstein avait décidé que tout compte fait, ces dimensions supplémentaires l’intéressaient.

Voici l’idée :

En 1916, Einstein a montré que la gravité est simplement le résultat de déformation et d’ondulations de l’espace-temps. Trois ans plus tard, Kaluza suggère qu’il en va peut être de même pour l’électromagnétisme. Mais si c’est le cas, il faut que ces ondulations se produisent quelque part. Il propose donc l’existence d’une dimension spatiale supplémentaire et cachée. Mais si Kaluza avait raison, où est donc cette autre dimension ? Et à quoi pourrait-elle ressembler ? Comment peut-on même essayer de l’imaginer ? Poursuivant plus tard le travail de Kaluza, le physicien suédois Oscar Klein,

a suggéré une solution originale:

Regardez un câble électrique suspendu entre deux pylônes. A une certaine distance il est impossible de voir qu’il possède une épaisseur, c’est un simple trait posé sur le bleu du ciel. Chaque câble ressemble à une ligne, un objet uni dimensionnel. Si l’on peut explorer ce câble de tout prêt, on se rend compte alors qu’il existe une deuxième dimension, celle qui tourne autour du câble. Du point de vue d’une fourmi sur le câble, elle peut se déplacer en avant et en arrière, mais aussi autour du câble, dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens contraire. Les dimensions devraient donc se classer en deux catégories. Elles peuvent être longues et dépliées comme la longueur du câble, mais aussi minuscule et enroulé comme la direction circulaire qui enveloppe le câble et en fait le tour.

Kaluza et Klein ont émis une idée extraordinaire, il leur est apparu que le tissus de l’Univers pourrait bien être comme la surface de ce câble et pourrait aussi avoir de très grandes dimensions comme les trois dimensions habituelles et qu’il pourrait également en avoir de minuscules enroulées très serrées, des milliards de fois plus petites qu’un atome qui les rendrait invisibles. La perception que nous avons de vivre dans un univers à trois dimensions spatiales pourrait être finalement totalement fausse. Nous vivons peut être dans un Univers qui aurait plus de dimensions qu’il n’y parait.

A quoi ressembleraient ses dimensions supplémentaires ?

Selon Kaluza et Klein, si l’on pouvait rapetisser des milliards de fois on trouverait en chaque point de l’espace une minuscule dimension supplémentaire repliée sur elle-même. Et de même qu’une fourmi peut parcourir la dimension circulaire qui fait le tour d’un câble, une fourmi des milliards de fois plus petite pourrait également en théorie parcourir cette minuscule dimension circulaire. Kaluza est d’abord passé à la postérité pour sa formulation d’une théorie unifiée des champs censée unifier sur le plan théorique la gravitation universelle et l’électrodynamique de Maxwell. Il adjoignit pour cela à l’espace-temps de la théorie de la relativité une cinquième dimension qui rendait intégrables les équations de Maxwell. Lorsqu’il découvrit cette idée, Einstein, fort impressionné, écrivit à Kaluza : « J’ai le plus grand respect pour la beauté et la finesse de votre conception.» Sur recommandation d’Einstein, ce travail parut en 1921 dans les Comptes rendus de l’Académie des sciences de Prusse. Mais le succès croissant de la toute nouvelle mécanique quantique relégua peu à peu au second plan ce programme, et Einstein reconnut, avec prudence : « On ne peut encore dire pour l’instant si l’idée de Kaluza sera validée, mais il faut lui reconnaître du génie. »

L’idée que des dimensions supplémentaires existent autour de nous constitue le fondement de la théorie des cordes. En réalité, mathématiquement, la théorie de nécessite non pas une, mais 6 dimensions supplémentaires. Tordues et enroulées en des formes complexes. Comment ces dimensions pourraient-elles avoir un effet quelconque sur notre vie quotidienne ?

Selon la théorie des cordes, la forme est primordiale.

C’est grâce à sa forme qu’un cor d’harmonie peut émettre des dizaines de notes différentes. Quand on appuie sur l’un des pistons, la note change car on modifie la forme de l’espace à l’intérieur du cor où l’air résonne. Les dimensions spatiales repliées sur elle-même de la théorie des cordes fonctionneraient de la même manière.  Si on devenait suffisamment petit pour pénétrer dans l’une de ces formes à 6 dimensions prédites par la théorie, on verrait comment ces dernières sont tordues et enroulées les unes sur les autres, influençant la manière dont les cordes, les éléments fondamentaux de notre Univers, bougent et vibrent. Et cela pourrait être la clé de l’un des plus grands mystères de la nature.

Notre univers : Une machine réglée très précisément.

Les scientifiques ont découvert qu’il y a environ 20 nombres. 20 constantes fondamentales dans la nature qui donnent à l’Univers les caractéristiques que nous lui connaissons. Ce sont des nombres comme la masse de l’électron, l’intensité de la gravité, la force électromagnétique et l’interaction forte et faible. Et tant qu’on règle les boutons de la machine sur les bonnes valeurs pour chacun de ces 20 nombres, elle produit l’univers que nous connaissons et que nous aimons. Mais si l’on change ces nombres en ajustant les réglages de la machine même de façon minime, les conséquences sont spectaculaires. Par exemple, si on augmente l’intensité de la force électromagnétique, les atomes se repoussent plus fortement, et la chaudière nucléaire qui fait briller les étoiles s’arrête. Les étoiles, y compris notre soleil s’éteignent et l’univers disparait. Alors qu’est ce qui dans la nature règle les valeurs de ces 20 constantes aussi précisément ? La réponse pourrait résider dans les dimensions supplémentaires de la théorie des cordes. Les minuscules formes à 6 dimensions prédites par la théorie font vibrer une corde exactement comme il faut pour produire ce que nous voyons comme un photon, elles en font vibrer une autre de façon différente pour produire un électron… Ces minuscules dimensions supplémentaires pourraient donc bel et bien déterminer toutes les constantes de la nature et permettre à la symphonie cosmique de rester accordée.

Au milieu des années 80 la théorie des cordes semble promise à une brillante carrière. Mais en coulisses la confusion règne. Au fil des ans, les efforts des théoriciens des cordes ont été si fructueux qu’ils ont battis non pas une, mais 5 différentes versions de la théorie. Toutes reposent sur les cordes et sur l’existence de dimensions supplémentaires, mais dans les détails elles ne s’accordent pas. Certaines font état de cordes ouvertes, d’autres parlent de cordes fermées. Deux d’entre-elles prévoient même 26 dimensions… Ces 5 versions paraissent tout aussi valables, mais laquelle décrit vraiment notre Univers ?

La théorie des cordes s’avérera-t-elle la théorie du Tout ? Ou deviendra-t-elle une théorie du rien ?

Bienvenue dans la 11eme dimension !

Si nous étions capables de contrôler l’espace ou le temps. On pourrait faire des choses absolument étonnantes. On pourrait voyager dans le temps, dans l’espace instantanément. Nous sommes tous persuadés que ce genre de voyage n’est pas possible, et c’est probablement vrai, mais il est clair que ces dernière années, l’idée que nous nous faisons de la nature, de l’espace et du temps, peut nous sembler avoir un peu changé et ce qui il y a un temps pouvait passer pour de la science-fiction nous apparait presque à notre portée aujourd’hui. Et tout cela grâce à la théorie des cordes.

Tentons par la pensée de réduire la totalité de l’espace à une taille plus humaine. Imaginons que l’univers tout entier ne comporte que l’endroit où j’ai grandi, un quartier de la ville de Paris. Un quartier de paris représente donc l’ensemble du tissu spatial. Et supposons que je sois le directeur d’une grosse entreprise possédant ses bureau place du Trocadéro. Comme le temps c’est de l’argent, je dois trouver le chemin le plus court de mon appartement au Sud du quartier à mon bureau situé au Nord du quartier. Nous savons tous que la plus courte distance pour aller d’un point à un autre est la ligne droite. Mais même s’il n’y avait pas d’embouteillages, ce qui est difficile à concevoir même dans un Paris imaginaire, il faudrait cependant un certain temps pour arriver là-bas. En allant de plus en plus vite on pourrait réduire la durée du trajet. Mais comme rien ne peut dépasser la vitesse de la lumière, il y a bien une limite incompressible au temps que l’on peut gagner sur ce trajet. Cet Univers “Quartier de Paris” correspond à une vision classique de l’espace qui se présente comme une grille plate, statique et immuable. Pourtant quand Einstein étudie la structure de l’Univers, ses conclusions sont toutes autres. Il affirme que l’espace n’est pas statique, qu’il peut se tordre et s’étirer. Il peut même y avoir des structures spatiales inhabituelles appelées trou de ver. Un trou de ver est un pont ou tunnel, entre deux régions éloignées de l’espace, une sorte de raccourci cosmique.

Dans ce type d’univers, fini le cauchemar des embouteillages aux heures de pointe. Mais il y a un problème. Pour créer un trou de ver, il faut former un trou en déchirant ou en perçant le tissus spatial peut-on déchirer le tissus de l’espace ? La théorie des cordes peut-elle répondre à cette question ? Pour Einstein l’espace ne peut pas se déchirer. Les trous de ver existent peut être dans l’espace déjà formées, mais on ne peut pas déchirer l’espace pour en créer de nouveaux. En d’autres termes, je ne peux pas prendre un trou de ver pour aller au travail. La théorie des cordes nous ouvre une nouvelle perspective sur l’espace. Elle nous montre qu’Einstein n’avait pas toujours raison. 

Observons de plus près le tissu spatial. Essayons par la pensée de se réduire à une taille permettant de rejoindre le monde de la mécanique quantique qui régit le comportement des atomes. C’est le monde de la lumière, de l’électricité, et de tous les phénomènes opérant à l’échelle de l’infiniment petit. Ici, la structure de l’espace est aléatoire et chaotique. Les déchirures sont peut-être des évènements anodins. Mais si c’est le cas, comment expliquer qu’une déchirure spatiale n’engendre pas de catastrophe cosmique ? C’est là qu’intervient la puissance des cordes. Elles apaisent le chaos, et lorsqu’une seule et unique corde “danse” à travers l’espace, elle le ballait et forme ainsi un tube. Celui-ci peut agir à la manière d’une bulle en venant entourer la déchirure faisant officie de bouclier protecteur. En fait, ce sont les cordes qui permettent à l’espace de se déchirer. L’espace serait donc beaucoup plus dynamique et changeant que ce qu’avait prévu Einstein.

Notre univers pourrait n’être qu’une petite partie d’un ensemble beaucoup plus grand. Peut-être vivons-nous sur une membrane tridimensionnelle qui flotte au milieu d’un espace de dimension supérieure. Il y a peut-être des mondes entiers justes à côté de nous mais complètement invisibles. On pourrait parler d’univers parallèles. 

C’est là qu’entre en scène Edward Witten,

Considéré comme l’un des plus grands physiciens du monde. Le digne héritier d’Einstein. Il possède une compréhension des phénomènes mathématiques sous-jacents bien plus approfondie que les autres chercheurs. S’exprimant à la conférence sur la théorie des cordes à l’Université de Californie du Sud en 1995, Witten annonce qu’il a découvert qu’il n’existe pas 5 théories mais une seule, en fait, les 5 théories sont simplement 5 façons de regarder la même chose. Il nomme cette nouvelle théorie, la Théorie M (Magique, Mystère ou Matrice…selon les gouts précise Witten). La théorie des cordes est enfin unifiée.

L’annonce de Witten a conduit à une vague de travaux maintenant connue comme la seconde révolution des cordes. Un nouvel espoir venait de naître. Il existe malgré tout un prix à payer. La première théorie précisait que les cordes semblaient opérer dans un monde qui avait 10 dimensions: Le temps, les trois dimensions spatiales, et 6 dimensions supplémentaires complètement invisibles car minusculement enroulées. On pense que ces dimensions existent car elles sont solutions des équations de la théorie des cordes. Les cordes ne peuvent se déplacer que s’il y a plus de 3 dimensions. Il faut apprendre à vivre avec cette idée. La théorie M impose encore une nouvelle dimension spatiale portant à 11 le nombre de dimensions total. Notre cerveau s’est développé au cœur de 3 dimensions spatiales. Il lui est quasiment impossible de concevoir un univers avec 10 dimensions spatiales. Comment s’en faire une idée malgré tout ?

La solution c’est d’aller au cinéma. Les personnages d’un film nous paraissent évoluer dans un monde à 3 dimensions. Or, en réalité, elles évoluent sur 2 dimensions, celles de la surface de l’écran. Il n’y a pas de profondeur sur un écran, c’est une illusion d’optique. Les dimensions ont un rapport avec les différents axes directionnels dans lesquels on se déplace. On les appelle parfois “degrés de libertés”. Et plus on dispose d’un grand nombre de degrés de liberté plus on peut faire de choses. La dimension supplémentaire introduite par Witten permet à une corde de s’étirer jusqu’à former une sorte de membrane ou “brane” en agrégé. Une membrane peut être tridimensionnelle voir davantage. Et à supposer qu’elle puisse disposer d’une énergie suffisante, elle peut atteindre une taille considérable. Pourquoi pas aussi étendue qu’un Univers,

C’est une révolution dans la théorie des cordes. Elle ouvre une perspective surprenante, notre univers pourrait se trouver sur une membrane, au sein d’un espace de dimension supérieur bien plus étendu. Un peu comme si nous étions à l’intérieur d’une miche de pain. Notre univers pourrait être une tranche de pain, à l’intérieur d’une miche de pain que les physiciens appellent parfois le “Bulck”. Ce Bulck pourrait comporter d’autres tranches, d’autres univers justes à côté du notre. Autrement dit, des univers parallèles.  Nous aurions ainsi de nombreux voisins ! Peut être à l’identique du notre ou totalement plus étranges régis par des lois physiques complètement différentes. Ces univers secondaires évolueraient à l’intérieur des dimensions supplémentaires de la théorie M. Certains prétendent que ces dimensions pourraient être à côté de nous à moins d’un mm de distance. Dans ce cas, pourquoi ne peut-on pas les voir ou les toucher ? Probablement parce que les atomes de notre univers ne peuvent pénétrer dans un univers de dimension supérieur. Ce raisonnement puissant pourrait expliquer et résoudre l’un des plus grands mystères de toute la science moderne : La gravité.

Cette force est en réalité extrêmement faible, elle nous maintien les pieds sur terre et maintien la terre autour du soleil, mais en réalité on surmonte la force gravitationnelle à chaque instant. Un aimant attrape sans effort un trousseau de clés tombé sur le sol. Les aimants véhiculent une force différente, la force électromagnétique qu’on a dans la lumière et dans l’électricité. Cette force est bien plus puissante que la gravité, elle est 10 puissance 39 fois plus puissante ! Cette faiblesse de la force de gravité est enfin expliquée grâce à la théorie des cordes. Sa faiblesse n’est peut-être qu’apparente. Mais nous ne percevons pas sa puissance au sein de notre univers. Elle n’est peut-être pas confinée à notre membrane mais pourrait s’échapper de cette partie de l’univers qui est la nôtre. 

Pendant des années on s’est concentré sur des cordes ayant des boucles fermées tels des élastiques. Depuis l’avènement de la théorie M, d’autres types de cordes ont attirés notre attention. On pense actuellement que tous les éléments que l’on voit autour de nous, comme la matière et la lumière sont constitués de cordes ouvertes dont les extrémités sont rattachées à notre membrane tridimensionnelle. Mais les boucles fermées existent bel et bien et l’une d’elle transmet la force de gravité. C’est ce qu’on appelle un “Graviton”. Ces boucles étant fermées, leurs extrémités ne peuvent se rattacher et les gravitons sont donc libres de s’échapper dans d’autres dimensions. La force de gravité s’en trouve diluée et parait ainsi plus faible que les autres forces de la nature. Une propriété qui laisse entrevoir une possibilité fascinante: Si nous vivons bien sur une membrane et que des univers parallèles existent aussi sur d’autres membranes à coté de nous, peut-être ne pourra-t-on jamais les voir, mais on pourra peut-être un jour arriver à les percevoir à travers la gravité. On pourrait percevoir des ondes gravitationnelles provenant de mondes distincts dans lesquels évolueraient d’autres êtres vivants intelligents.

Une autre théorie en vogue concerne cette fois l’origine du Big Bang. Il s’agirait d’imaginer deux “branes” voisines qui se touchent. L’énergie produite aurait permis le déclenchement que l’expansion que nous voyons et aurait chauffé toutes les particules de l’univers pour produire la matière telle que nous la connaissons. Il est même possible que les univers parallèles soient déjà rentrés en contact plusieurs fois… Créant ainsi plusieurs “Big Bang”…

Si cette théorie est juste, une “brane” se dirige vers nous en ce moment même, il y aura un autre Big Bang, et ce, indéfiniment dans le futur.

Voilà une idée fascinante mais qui malheureusement s’accompagne de quelques problèmes techniques. On ignore en effet ce qui se passe réellement lorsque deux “branes” entrent en collision… Les équations n’ont plus aucun sens. Nous sommes donc loin d’avoir répondu au mystère du Big Bang.

Aux États Unis, il existe un laboratoire dont les recherches sont strictement orientées sur l’existence des cordes et des dimensions complémentaires, il s’agit du FermiLab dans L’Illinois. On y bombarde des atomes d’hydrogène avec de grandes quantité d’électricité, on les dépouille de leurs électrons on injecte les protons dans un tunnel circulaire de 6 Kms enterré, et lorsqu’ils approchent de la vitesse de la lumière, ils sont mis sur la trajectoire de particules circulants en sens opposé. La plupart des collisions n’engendre que des “étincelles” mais par moment il se produit un choc frontal. Il en résulte une pluie de particules subatomiques inhabituelle. Ce qu’on espère c’est trouver une minuscule particule de gravité… Notre fameux graviton ! Pour le moment, aucun gravitons n’est en vue… A Genève, le CERN possède le LHC, un énorme collisionneur de particules, 7 fois plus puissant que celui du FermiLab.  S’il y a une priorité commune en tête de liste de ces deux laboratoires c’est ce qu’on appelle la recherche sur la super symétrie. Il s’agit d’une prédiction centrale de la théorie des cordes qui dit que pour chaque petite particule sur atomique qui nous entoure il y a en correspondance un partenaire bien plus lourd qu’on appelle “super partenaire” que personne n’a jamais pu voir. Et comme la théorie des cordes impose l’existence de ces particules “S”, alors il faut les découvrir. Le problème c’est que ces particules S sont terriblement lourdes, à tel point que les accélérateurs actuelles semblent inefficaces.

Conclusion:

Sans aucune preuve réelle, la théorie des cordes semble tellement logique dans tant d’aspect que bon nombre de chercheurs estime qu’elle est forcément correcte. Il est inconcevable qu’une telle élégance et qu’une telle beauté mathématique soit simplement gâchée.

Il y a un siècle, les scientifiques pensaient avoir compris les lois fondamentales de l’Univers, puis Einstein est venu chambouler notre conception de l’espace et du temps et de la gravité. La mécanique quantique nous a ensuite révélé la structure interne des atomes et des molécules. Dévoilant un monde étrange et incertain. Ainsi, loin de confirmer que l’on méprisait tout, le XX siècle a montré que chaque fois qu’on regarde l’univers de plus prêt on découvre un autre niveau de réalité. A début du XXI siècle, on entrevoit ce que pourrait être le degré suivant. Cordes vibrantes, super partenaires, univers parallèles, et dimensions supplémentaires. C’est une vision à couper le souffle et dans quelques années, des expériences pourront peut-être affirmer si ces idées sont justes ou fausses.

La recherche est en marche, nous explorons, nous obéissons à notre curiosité, nous explorons l’inconnu et dans une centaine ou un million d’années notre vision du cosmos nous paraitra sans doute très incomplète voir un peu désuète. Mais indéniablement, les idées véhiculées par la théorie des cordes attestent bien de la puissance de la créativité humaine. Elles ont déployé tout un nouveau spectre de réponses possibles à des questions séculaires, et avec ces concepts nous savons fait un grand bond en avant dans la compréhension que nous avions jusqu’ici de cet Univers élégant.

 

Cet article est tiré en partie du mémoire rédigé en 2015 par votre serviteur, dans le cadre de sa première année au diplôme universitaire “explorer et comprendre l’Univers”

Il y a plusieurs milliards d’étoiles dans l’Univers, mais l’une d’entre elles est toute proche de nous. C’est un monde extraterrestre où des tornades magnétiques s’élèvent à des dizaines de kilomètres de hauteur. Un monde où de mystérieuses tâches sombres, assez grandes pour engloutir la terre, apparaissent et disparaissent, et où de violentes éruptions se produisent, projetant des tonnes de particules chargées et de radiations dans l’espace, à plus de 3 millions de kilomètres/heure.

Il ne s’agit pas d’un monde étrange situé de l’autre côté de la galaxie, mais de notre Soleil, super puissance de notre système solaire ! C’est une boule infernale composée essentiellement d’hydrogène et d’hélium à l’état de plasma qui bouillonne à des millions de degrés. Mais c’est également un monde sans lequel la vie aurait été impossible, tout simplement !

Aujourd’hui, les avancées technologiques nous permettent de l’observer avec bien plus de précision. Les satellites fournissent aux chercheurs des données susceptibles d’éclaircir des mystères datant de plusieurs siècles. Quel est le fonctionnement du Soleil ? D’où vient sa puissance ? Et quelles conséquences ses mécanismes internes peuvent-ils avoir sur la terre située à 149,6 millions de Kms de distance ?

Ces questions sont aujourd’hui prioritaires. On pourrait se croire en effet à l’abri mais rien n’est moins certain. Notre Soleil possède en effet paradoxalement un côté sombre. Les violents orages qu’il génère sont capables d’anéantir le réseau électrique dont nous dépendons au quotidien, et pourrait nous faire revenir à l’âge des ténèbres… Pendant de longues périodes.

C’est pourquoi les scientifiques du monde entier cherchent à élucider les mystères qui subsistent autour de notre étoile, il est donc primordiale de comprendre les secrets du Soleil.

Il faut alors faire un voyage jusque dans son noyau à la découverte de son atmosphère torride et de ses tornades solaires impressionnantes.

Notre soleil fait partie de ces étoiles que l’on nomme des “naines jaunes”. Jaune à cause de leur couleur et naine, parce qu’elles sont très petites… pour des étoiles ! Mais tout est relatif car on pourrait caser dedans pas loin d’un million de “terres” comme la notre. Dans le système solaire aucune étoile n’est plus grande que le soleil. A des millions de kilomètres de chez nous, la star céleste fait tout simplement un malheur ! Il domine notre système solaire. Il n’est pas seulement la plus grande étoile du système solaire, il en est la seule ! Il trône au milieu d’autres éléments, les planètes, les comètes et les lunes mais il demeure “notre” étoile.

Elle est un peu comme un haut fourneau thermonucléaire secoué d’explosions colossales, c’est une énorme source de chaleur et d’énergie. Sa température dépasse les 5 000 degrés et elle produit 380 milliards de milliards de mégawatts. Il y a de quoi se sentir bien petit quand on sait que selon ERDF, son parc hydroélectrique produit 39 Tera Wh (39 suivi de 12 “0”  Wh). En l’espace d’une seconde le soleil dégage plus d’énergie que n’en a utilisé la civilisation humaine depuis sa naissance. Et le plus incroyable c’est que cela dure depuis des milliards d’années.

Les astronomes de l’antiquité ne comprenaient pas comment il pouvait produire autant d’énergie depuis si longtemps. C’était le premier mystère.

Comment le soleil fabrique-t-il cette énergie ?

Au début du 19ème siècle, les scientifiques pensaient que le soleil fonctionnait comme n’importe quel feu sur la terre (figure ci-dessous).

Il avait une source de combustible, peut être du charbon, qui se consumait tout doucement. Mais cette théorie posait un sérieux problème. Si on avait un tas de bois de la taille du soleil et suffisamment d’oxygène pour qu’il brûle, le feu durerait environ 5 à 6 000 ans, c’est long mais ça ne suffirait pas à maintenir la vie sur terre.

Au début du 20ème siècle, la datation au carbone 14 des roches et des fossiles à mis en évidence que le soleil existait depuis non pas quelques milliers mais depuis près de 4,5 milliards d’années ! Pour construire un feu qui dure aussi longtemps, il faudrait des quantités de bois et d’oxygène inimaginables. De toute évidence il devait y avoir un autre moyen, inconnu sur la terre à cette époque, pour produire toute cette énergie. Puis, dans les années 20, les scientifiques ont trouvé la réponse à cette énigme sous la forme d’un procédé qui sera exploité plus tard pour la bombe à hydrogène : la fusion nucléaire ! (figure ci-dessous)

La fusion a lieu quand des atomes sont précipités les uns contre les autres à une vitesse telle qu’ils fusionnent au sens propre du terme. Mais pour réussir cette fusion il faut réunir certaines conditions. Pour que l’interaction ait lieu il faut que les deux particules aient une charge électrique positive de sorte qu’ils se repoussent mutuellement, ce sont donc des protons qui vont se heurter, il faut également qu’ils se rapprochent suffisamment, il faut donc qu’il fasse chaud c’est à dire que les particules se déplacent très vite et soient assez denses pour qu’elles puissent se rapprocher et se fondre les unes dans les autres. Le cœur du soleil est un chaudron idéal pour la fusion nucléaire. Avec ses 15 millions de degrés c’est l’endroit le plus chaud du système solaire. Et il est en plus d’une densité incroyable (10 fois supérieure à celle du plomb). On pourrait penser qu’à une telle densité il devrait être solide, mais il y fait tellement chaud qu’en réalité le cœur est sous forme de plasma, un état particulier de la matière.

Si on chauffe suffisamment un gaz, les électrons se détachent des atomes  et se mettent à flotter librement, la matière ne se comporte plus comme un gaz et on lui donne un autre nom, celui de plasma. Les atomes d’hydrogène vont donc, sous cette pression et cette température énormes, fusionner les uns avec les autres en donnant des atomes d’hélium dont la masse est légèrement moindre que la somme des masses initiales. Ce défaut de masse se traduit par une quantité d’énergie gigantesque. A chaque seconde à l’intérieur du soleil 600 millions de tonnes d’hydrogène fusionnent pour produire 595 millions de tonnes d’hélium. les 5 millions de tonnes perdues au cours du processus sont transformées en une énergie équivalent à l’explosion d’un milliard de bombes à hydrogène d’une mégatonne et cela se répète toutes les secondes !

VIDEO – 5 années dans la vie du Soleil !

Nous savons maintenant que le soleil est alimenté par fusion nucléaire (figure ci-dessous).

 

 

La lumière du soleil fait tellement partie de notre vie que la plupart du temps nous n’y prêtons même plus attention. La façon dont elle nous parvient est une histoire incroyable. L’énergie produite par la fusion est véhiculée depuis le cœur du soleil par des particules de lumière et de chaleur appelées “photons”. Ce sont elles qui transportent les rayons jusqu’à la terre. Pour rallier notre planète, ces voyageurs incandescents doivent d’abord emprunter une route longue et sinueuse à travers toutes les couches du soleil.

Le voyage de la lumière :

Une fois qu’il est produit, le photon commence par pénétrer la zone radiative épaisse de quelques 300 000 kilomètres (figure ci-dessous, les températures sont données en °K, 1°K = 1°C + 273,15).

La densité y est telle que le photon entre sans cesse en collision avec des particules voisines comme les atomes d’hydrogène et d’hélium. Sa progression vers l’extérieur de la zone se fait en zigzag selon un schéma appelé par les scientifiques “marche aléatoire”. Le photon se fait absorber par les atomes puis il est émis à nouveau et ce va et vient se reproduit des millions de fois. Il met plusieurs milliers d’années à se sortir de cette zone radiative. Au fur et à mesure que l’on remonte à la surface du soleil la densité décroit, il y a moins de collisions et d’interactions, la route est moins difficile. Enfin, quand il n’est plus qu’à 200 000 Kms de la surface, le photon entre dans la zone convective (figure ci-dessus). Et le rythme soudain s’accélère, le photon est attiré vers le haut par une sorte de bouillonnement, il est happé par d’immenses colonnes de gaz qui le véhiculent à plusieurs centaines de kilomètres/heure. Il ne lui faut plus alors qu’une dizaine de jours avant d’arriver à la surface du soleil. L’incroyable voyage est presque terminé lorsque le photon émerge des gaz légers de l’atmosphère solaire. Arrivé là, il ne lui faut plus que 8 minutes pour franchir les 150 millions de Kms qui le séparent de la terre. Lorsqu’elle finit pas atteindre la terre la lumière du soleil existe depuis des centaines de milliers, voire des millions d’années. Pensez-y lorsque vous ressentirez la chaleur bienveillante des rayons sur votre peau !

Pour le soleil, un million d’années n’est rien, c’est juste le 1/4500ème de son existence. Le disque qu’il nous montre au couchant dans sa parfaite simplicité donne une idée fausse de sa longue et violente histoire. C’est une boule de feu née il y a 4,5 milliards d’années au cours d’une gigantesque explosion appelée “supernovae” (figure ci-dessous).

Cette explosion titanesque où une étoile bien plus grande que le soleil a explosé a donné naissance à un immense nuage gazeux qui faisait plusieurs fois la taille de notre système solaire. Puis, peu à peu, sous l’effet de la gravitation, de petits nœuds de matière se sont agrégés au sein de ce nuage. Il y a environ 5 milliards d’années, ce nuage a commencé à s’effondrer ici encore sous l’effet de la force de gravitation. Notre système solaire est issu d’un de ces nœuds auto gravitant qui s’est amassé sur lui même . A la fin, sont nés l’astre et les planètes qui tourne autour de lui. a partir d’un certain niveau de densité, l’étoile est entrée en fusion, s’est mise à brûler et à émettre de la lumière.

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QUESTIONS au Docteur Michèle THALLER

Astrophysicienne à la NASA

“Pourquoi les scientifiques pensent-il que le soleil est né des cendres d’une supernovae ?

Nous en avons la preuve sous nos pieds. Des éléments lourds comme l’uranium que nous extrayons pour alimenter les centrales nucléaires, n’ont pas pu être produits dans le soleil. Ils ne peuvent avoir été créés qu’au cours d’une catastrophe comme une explosion cosmique.  La terre et les autres planètes du système solaire sont issues du même nœud de gaz que celui qui a produit le soleil. C’est au cours de ce processus que le soleil a accumulé 99% de sa masse. C’est donc le plus gros objet de notre voisinage céleste et il est doté de la plus forte attraction gravitationnelle, voilà pourquoi tout tourne autour de lui. De toutes les planètes, la terre bénéficie d’une relation privilégiée avec le soleil. Si nous étions plus près de lui, nos océans entreraient en ébullition et s’évaporeraient, le sol serait si chaud que le plomb fonderait. Si nous étions plus éloignés, notre planète serait un désert gelé. La terre a beau être juste au bon endroit dans le système solaire, nous sommes quand même assez près du soleil pour être la cible de sa colère !”

Chaque année, des milliers d’explosions secouent le soleil. On pourrait s’attendre à ce que de tels événements soient produits par des déflagrations nucléaires nées au cœur du noyau. En fait, ces déchaînements d’explosions solaires ont des causes magnétiques. Notre terre étant un solide, elle présente un champ magnétique assez simple. Elle possède deux pôles, le Nord et le Sud (figure ci-dessous)

Imaginez qu’au lieu des 2 pôles, nous en ayons entre 1 millions et 10 millions ! C’est exactement ce qui arrive au soleil. le champ magnétique du soleil est un véritable sac de nœuds (figure ci-dessous).

Bien qu’il soit maintenu par la gravité, le plasma n’a pas une rotation homogène. Au niveau de l’équateur le plasma accompli une révolution complète en 25 jours terrestres, tandis qu’aux pôles il met environ 35 jours. On appelle ce phénomène une “rotation différentielle”, tout le plasma tourne et se retourne et c’est pourquoi les lignes de champ magnétique se retrouvent tortillées, vrillées  et emmêlées (figure ci-dessous).

Les lignes de champ magnétiques ont beau être invisibles, l’observation des boucles coronales et autres proéminences qui s’élèvent dans l’atmosphère solaire nous prouvent qu’il en existe bien sur le soleil (figure ci-dessous).

Ces boucles de plasma viennent épouser les structures magnétiques qui les sous tendent. Ces arches de plasma sont si grandes et si larges qu’on pourrait y faire passer des planètes de la taille de Jupiter. En tordant le plasma dans l’atmosphère solaire,  les champs magnétiques lui donne parfois des formes hélicoïdales magnifiques appelées cordes de flux (figure ci-dessous).

La ligne de champ tourne sur elle même plusieurs fois et augmente ainsi son énergie magnétique libre intrinsèque. Ces proéminences de plasma peuvent se maintenir pendant des semaines voire des mois. mais il arrive un moment où l’énergie accumulée doit se libérer.  Leur masse est alors propulsée dans l’espace. Dans les zones où les volutes du champ magnétique solaire sont les plus nombreuses et les plus complexes, la chaleur qui bouillonne par dessous est capturée et connait des baisses de température avoisinant les 1000°. Il en résulte à la surface du soleil des zones relativement sombres qu’on appelle “taches solaires” (figures ci-dessous)

Sombres, ces taches ne le sont que par rapport à la matière brillante qui les entoure. Si l’on trouvait le moyen d’en faire flotter une dans l’espace, elle serait bien plus lumineuse que la pleine lune. Ces taches sont en fait des cratères de plasma aussi gros que notre terre toute entière. Ces taches peuvent tourbillonner comme des ouragans à la surface du soleil. Du fait de ces mouvements, leurs lignes de champ magnétique sont très fortement torsadées. Or plus ces lignes sont vrillées plus il y a d’énergie et plus les éruptions peuvent être violentes, on pourrait faire le parallèle avec un élastique que l’on torsade pour faire voler un petit avion. Si on ne torsade pas l’élastique, aucune énergie n’est emmagasinée et l’avion ne peut pas voler. Quand une tâche solaire libère son énergie magnétique, cela provoque d’énormes explosions dans le système solaire : ce sont les éruptions solaires. Une seule éruption libère un milliard de méga tonnes d’énergie, c’est à dire la puissance d’un million d’éruption volcanique sur terre ou de millions de bombes nucléaires qui quitteraient la surface du soleil en même temps. ces éruptions peuvent durer des heures. ces éruptions solaires canalisent également des particules de haute énergie vers une couche du soleil appelée “chromosphère” (figue ci-dessous)

Ou elles s’empressent de libérer leur énergie. Si une seule éruption est capable d’envoyer suffisamment de particules en une seule fois, il se passe des choses étranges. On assiste alors à un véritable tremblement de soleil (figure ci-dessous)

On distingue des vagues qui s’éloignent du centre de l’image. Ces vagues peuvent faire jusqu’à 3 kilomètres de haut et elles déferlent à une vitesse d’environ 400 000 Kms/h ! Un tremblement de soleil analysé en 1998 aurait eu une magnitude de 11,3 sur l’échelle de Richter. Il aurait été 1 million de fois plus violent que celui qui a secoué San Francisco en 1989. Une éruption peut également déclencher un tsunami solaire, des vagues de plasma foncent alors dans l’atmosphère solaire à une vitesse de plus d’un million de Kms/h pour se disperser en l’espace de quelques heures.

Si les explosions et les tsunamis solaires ne présentent pas un risque pour la terre, une violent explosion déchaîne souvent de violentes éruptions appelées “éjection de masse coronale” ou CME. Lors de ce phénomène, l’énergie de l’éruption projette une bulle de plasma extrêmement radioactive hors de l’atmosphère solaire. La vitesse d’éjection est de 1 500 à 2 000 Kms/s, une énorme quantité de matière est projetée, probablement équivalent au volume de l’Everest. En quittant le soleil, cette bulle de plasma radioactive et surchauffée  se dirige vers le cosmos dans le meilleur des cas, mais elle peut également se diriger vers notre planète. Il s’agit probablement de la menace la plus importante. Appelée aussi tempête solaire, les particules mettent plusieurs jours en général pour parcourir les 150 millions de Kms qui nous séparent du soleil. Mais certaines ont parcourus cette distance en moins de 16 heures !

Ces tempêtes peuvent provoquer des courants dans l’exosphère (figure ci-dessous) et mettre hors service satellites et réseaux électriques aériens et causer autant de ravages à nos infrastructures qu’un ouragan ou une tornade.

Il existe sur terre un organisme qui surveille en permanence ces explosions cosmiques potentiellement dangereuses. Il s’agit d’une agence américaine responsable de l’étude des océans et de l’atmosphère. Elle abrite les services de la météorologie américaine. Jours après jours ses prévisions, observations et mises en garde sont des information capitales pour le quotidien. Un autre groupe de techniciens moins connus travaille au même endroit, dans un département spécial consacré à l’environnement spatial. Leur mission consiste essentiellement à surveiller le soleil et à émettre des observations, des avis et des alertes sur son activité. Ces météorologues de l’espace sont sur le qui vive lorsqu’il se présentent des tempêtes solaires susceptibles de perturber la vie sur terre.

Comme elles se composent de particules ionisées notre champ magnétique commence à les faire dévier (figure ci-dessous)

Cette protection est très importante car si les particules entraient directement en collision avec l’exosphère, elles en arracheraient des morceaux qu’elles projetteraient dans l’espace (figure ci-dessous).

Si la planète Mars n’a pas d’atmosphère, c’est notamment parce qu’elle n’a pas de champ magnétique fort. Au fil de milliards d’années, sous l’effet de vents solaires et de CME qui passaient près d’elle son atmosphère a été progressivement projetée dans l’espace.

Certaines particules peuvent néanmoins pénétrer notre champ magnétique et ioniser l’exosphère. Les tempêtes solaires peuvent même faire fléchir jusqu’à les rompre les lignes de champs magnétiques de l’autre côté de la terre permettant ainsi à des particules ionisées de repartir en longeant d’autres lignes de champs vers les pôles Nord et Sud.  Des tempêtes particulièrement violentes peuvent même déformer le champ magnétique terrestre et créer des courants électriques d’un continent à l’autre. lorsque cela se produit, les réseaux électriques longue distance peuvent se retrouver en surcharge avec le risque d’endommager des transformateurs à chaque bouts de la ligne. En 1989 une bonne partie du Quebec a été ainsi plongée dans le noir parce qu’un phénomène solaire avait fait éclater un transformateur. Quand ce genre de tempête touche notre système de communication, nos usines électriques et toutes les installations dont nous dépendons, c’est le chaos ! Si les compagnies d’électricité ont le temps de réagir, elles peuvent diminuer le courant qui circule dans les câbles et ainsi éviter la catastrophe. Les responsables de satellites peuvent eux aussi se préparer à l’attaque à condition d’être prévenus à temps. Ils mettent ainsi certaine de leurs satellites en sommeil en attendant que la tempête passe. Plus ils sont prévenus tôt, mieux cela vaut.

Les tempêtes solaires peuvent aussi perturber les communications radios à haute fréquence qu’utilisent les avions. Dans les années 80, Air Force One, l’avion du président des états-unis, se rendait en chine lorsqu’une tempête solaire a éclaté. Les communications ont été impossibles durant plusieurs heures coupant du monde le chef de l’état américain.

La zone de tous les dangers se situe au centre du soleil, quand il nous fait directement face. Il faut donc savoir où se passe l’explosion et l’éjection de masse coronale. On est capable d’estimer la quantité de matière éjectée et le temps qu’il lui faudra pour rejoindre la terre. L’énergie des tempêtes solaires à facilement accès aux zones des pôles Nord et Sud. La menace des radiations solaires est une raison supplémentaire pour observer le soleil en permanence. La terre n’est pas une île, nous sommes directement concernés par l’activité du soleil.

Ce sont les tâches solaires qui déclenchent les plus grosses tempêtes. Aussi les suit-on attentivement pendant qu’elles tournent à la surface du soleil. La menace est d’une beauté stupéfiante, les tempêtes solaires créent des lumières somptueuses aux reflets miroitants : Les aurores ! (figure ci-dessous)

Elles fonctionnent comme des enseignes au néon. le champ magnétique et l’énergie solaire animent l’aurore. En se précipitant le long du champ magnétique terrestre en se dirigeant vers les pôles, les particules énergétiques de la tempête solaire excitent certains atomes constituant notre atmosphère et les font briller. Les molécules d’oxygène émettent une couleur rouge ou verte tandis que l’azote émet des roses, des bleus et des violets (figure ci-dessous)

Ces images fantomatiques sont généralement confinées aux pôles, mais des tempêtes solaires de grande envergure peuvent les pousser vers l’équateur. En 1859, une telle tempête à déclenché une tempête géomagnétique dont les effets ont été visibles à Rome ! Cette tempête nous donne une idée de ce que peut faire le soleil, elle était si intense et l’alignement était si parfait que les ressources naturelles de la terre en ont été submergées. Il lui aura fallu moins de 18 heures pour rejoindre la terre, une fusée extrêmement puissante mettrait des années à rejoindre le soleil, fort heureusement, en 1859 le télégraphe était le seul équipement technologique qui a souffert. Depuis que nous sommes devenus totalement dépendants de la haute technologie, nous n’avons pas revu de tempête de ce type. Mais la question demeure, et si cela se reproduisait ? Ses effets aujourd’hui pourraient être dévastateurs.   on ne sait pas vraiment ce qui se passerait au niveau de nos système de communication, nos technologies seraient mises à mal, nous pourrions perdre les satellites qui assurent le relais de nos téléphones portables, les signaux télévisés et les transactions bancaires, que se passerait-il si des pannes de réseaux électriques plongeaient durant des heures voire des semaines la planète dans le noir le plus complet ? Nous serions au bord du chaos, il y aurait une répercussion en chaîne sur toute la société, cela toucherait tous ceux qui vivent sur terre.

Les tempêtes solaires sont aussi difficiles à prévoir que les ouragans. Si les météorologues n’ont pas les moyens de prédire la prochaine tempête “parfaite”, ils savent qu’elle doit se passer à l’apogée d’un cycle solaire de 11 ans. A ce moment, le soleil inverse les polarités de son champ magnétique, c’est à dire que tous les 22 ans il revient à son point de départ. Au fur et à mesure que l’on s’approche de la fin d’un cycle tous les 11 ans, le nombre de tâches solaires augmente et on note un pic de l’activité solaire, c’est le “maximum solaire”. tous les 5 ans on note un “minimum solaire”. Les maxima solaires sont d’intensité variable. Le prochain maximum solaire devrait avoir lieu en 2023., mais les prévisions varient…

Si ces prédictions se réalisaient la terre pourrait en voir de toutes les couleurs, il y a du soucis à se faire si l’événement de 1859 se reproduisait. Les dégâts seraient colossaux. On en apprendra long sur la réactivité de notre technologie !

C’est dans la couronne solaire qu’une bonne partie de la violence du soleil s’exprime (figure ci-dessous)

Cette région a longtemps recelé l’un des grands mystères solaires. En effet bien qu’elle se trouve à 1 millions de kilomètres du noyau générateur de chaleur, la température s’y mesure en millions de degrés, ce qui semble contredire toutes les lois de la physique. Qu’est ce qui peut bien causer cette surchauffe de la couronne ? La réponse est plutôt étonnante. Des satellites d’observation ont pu examiner de façon plus détaillée la surface solaire, et certains indices ont commencé à apparaître. sous la couronne, la surface du soleil bout littéralement. Elle est recouverte de cellules de convection, de la matière en fusion s’en élève, atteint la surface, se refroidit en brillant (c’est la lumière que produit l’astre) puis retombe. Chaque bulle qui en émerge et qui fait approximativement la taille de la France, explose en surface, se refroidit et retombe. Ce phénomène se reproduit en des millions d’endroits à la surface du soleil 24 heures sur 24. Ce bouillonnement produit également un bruit assourdissant. Le Soleil est un endroit prodigieusement bruyant, du fait de la surface bouillonnante de l’étoile qui crée suffisamment d’énergie sonore pour surchauffer la couronne à des millions de degrés. Les scientifiques pensent que c’est la combinaison de ces ondes sonores avec l’énergie du champ magnétique solaire qui est responsable des températures extrêmes qui règnent dans la couronne.

Depuis la terre on ne peut apercevoir la couronne qu’à l’apogée d’une des manifestations les plus surprenantes de notre système solaire : Lors d’une éclipse totale de soleil (figure ci-dessous).

Avant que les physiciens en les aient compris, ces événements inspiraient la peur. Les chinois croyaient qu’un dragon dévorait le soleil

Que se passe-t-il réellement lors d’une éclipse de soleil ? Pour faire simple, la lune nous bouche simplement la vue du soleil et comme la lune est 400 fois plus petite que le soleil et qu’elle est également 400 fois plus près de nous, ainsi ces deux objets cosmiques semblent avoir la même taille dans notre ciel de sorte que l’un obscurci totalement le second en se plaçant devant. ce merveilleux phénomène cosmique ne se produit que lorsque le chemin de la lune croise la ligne qui sépare la terre du soleil. L’orbite lunaire est légèrement inclinée d’environ 5°, si ce n’était pas le cas nous aurions une éclipse tous les mois, en général, elle passe en dessous ou au dessus de cette ligne, de sorte qu’on a une éclipse totale sur terre tous les 18 mois environ. En se glissant face au soleil, la lune projette une ombre sur la terre, la partie externe où l’ombre est plus légère s’appelle la pénombre. lorsqu’on se trouve dans l’espace que trace la pénombre sur terre, on ne voit qu’une éclipse partielle. Par contre si vous vous situez en plein sur le chemin de l’ombre, alors vous pourrez assister au spectacle majestueux d’une éclipse totale (figure ci-dessous).

Vous pouvez également vous armer de patience et attendre qu’une éclipse totale passe juste au dessus de votre tête, cela arrive environ tous les 300 ans…

Le soleil, brillante étoile de notre système solaire, peut être à la fois d’une beauté époustouflante et d’une violence féroce. Et même si c’est difficile à croire, il ne sera pas éternellement présent. Même le Soleil doit mourir un jour. Il renferme dans son noyau une quantité de carburant déterminée. Et il est soumis à la fusion à un rythme que l’on peut calculer. Il devrait mourir d’ici 5 milliards d’années. Il ne s’éteindra pas avec éclat, il est trop petit pour éclater comme une supernovae. En épuisant son carburant, l’hydrogène, notre étoile se refroidira et elle s’effondrera petit à petit sous l’effet de la gravité. L’énergie prodiguée lors de cet effondrement réchauffera le noyau à des centaine de millions de degrés, une température où l’hélium brûle. Sous l’effet de la chaleur que produira l’hélium en brûlant, le soleil se dilatera jusqu’à devenir un globe monstrueux appelé “géante rouge” (figure ci-dessous)

Il engloutira les orbites de mercure, de vénus et de la Terre. Nous aurons du quitter notre planète depuis longtemps pour assurer notre sécurité. Les couches externes de notre soleil deviendront si instable qu’elles éclateront dans l’espace, laissant derrière elles un petit noyau de la taille de la terre. ce qui fut notre plus grande étoile deviendra un noyau de cendres qui se refroidiront lentement. La vie sur terre cessera d’exister. C’est cela, la mort du Soleil.

Voici de bien mauvaises nouvelles pour le genre humain. Mais voyons les choses du bon côté. Nous avons 5 milliards d’années pour nous préparer à la catastrophe. Pour l’instant l’humanité continue de se prélasser à la lumière d’un Soleil  qui n’est qu’à l’aube de son existence. La science a percé bon nombre de ses secrets. Et sa colère nous inspire aujourd’hui plus de méfiance que sa beauté ne suscite notre admiration.

Pour clôturer cet article je tenais à remercier le Dr. Michelle L Thaller, astrophysicienne à la NASA qui m’apporte régulièrement son soutien par le biais de documents inédits et de conseils avisés.

 

L’Univers a voulu fêter le centenaire de la découverte de la théorie de la relativité générale par Albert Einstein (novembre 1915). Cette toute nouvelle découverte sera certainement LA nouvelle scientifique de l’année 2016, aussi importante que celle du Boson de Higgs quatre ans plus tôt.

Depuis quelques jours on ne cesse de parler dans les médias de la confirmation d’une prédiction d’Einstein concernant l’existence d’ondes gravitationnelles et vous êtes nombreux à me questionner sur ce sujet. Je vais tenter en quelques mots simples de vous en expliquer la teneur.

“Nous avons détecté des ondes gravitationnelles“, a annoncé jeudi 11 février David Reitze, directeur du LIGO (Observatoire américain des ondes gravitationnelles)(photo ci-dessous).

Une conférence de presse diffusée aux quatre coins de la planète dont Albert Einstein aurait rêvé. Les ondes gravitationnelles, c’est lui qui les avait prédites. Cent ans après, d’autres ont réussi à les observer. “C’est la première fois que l’univers nous parle à travers ses ondes gravitationnelles. Jusqu’ici, nous étions comme sourds. Désormais, nous sommes capables de les entendre“, a déclaré David Reitze.

Si l’univers était un lac, ses ondes gravitationnelles seraient ces ondes concentriques qui apparaissent à la surface de l’eau après la chute d’un caillou. À une échelle bien plus grande, les ondes gravitationnelles font osciller l’espace-temps. Mais pour cela, le caillou doit être très gros.

La force gravitationnelle ou gravitation :

C’est Isaac Newton qui le premier a défini l’intensité de la force de gravité qui relie deux objets de masses m1 et m2 distants de r (figure ci-dessous).

On constate que cette force est directement proportionnelle à la masse des objets et inversement proportionnelle au carré de la distance séparant ces objets. la valeur G étant la constante gravitationnelle qui vaut sur terre 9,81 N.m².Kg-² .

La particularité de cette force est que, selon Newton, elle se transmet de manière instantanée. Si en effet un des deux objets disparaît brutalement, alors la force devient instantanément nulle. On peut donc dire que selon Newton l’information qui caractérise la force de gravité se transmets de façon immédiate à l’autre masse. C’est un concept un peu étrange avouons-le, rien de ce qui nous entoure n’est instantané, ni l’information qui circule, ni même la lumière qui se déplace en respectant une vitesse limite. Néanmoins, mis à part cette bizarrerie conceptuelle, la formule de Newton est parfaitement utilisée encore aujourd’hui pour calculer les trajectoires des planètes, des boulets de canon et d’autres projectiles terrestres.

Les forces électrostatiques et électromagnétiques :

Il existe une autre force qui se comporte un peu de la même manière. C’est la force électrostatique qui s’exerce entre deux particules chargées électriquement. Cette force a été mise en évidence par  Charles-Augustin Coulomb qui l’a énoncée en 1785. (figure ci-dessous):

Vous pouvez constater qu’elle ressemble étonnamment à la loi de Newton, en effet, au lieu d’avoir des masses, on a des charges électriques. Elle permet de comprendre les relations qui peuvent exister entre des particules chargées. La loi de Coulomb avait le même défaut conceptuel que la loi de Newton. Elle a ensuite été remplacée par une autre plus précise et plus riche qui est l’électromagnétisme encore appelée force de Lorentz et définie par un ensemble de lois mathématiques complexes :

Dans l’électromagnétisme, on prend en compte le fait que l’information met un certain temps à voyager, notamment sous la forme d’ondes électromagnétiques (figure ci-dessous) qui voyagent à la vitesse de la lumière:

On aurait pu penser qu’un physicien aurait trouvé lui aussi une loi de “remplacement” de la loi de Newton, tenant compte cette fois du cheminement de l’information et qui ferait intervenir des ondes susceptibles de se propager. Mais la réalité est plus complexe. La loi de Newton a été supplantée en 1915 par la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Théorie qui suppose que la force de gravité provient de la courbure de l’espace temps (figure ci-dessous).

(Ci-dessous): La masse et donc la force de gravité de la terre crée une déformation de l’espace-temps prédite dans les équations d’Einstein. Il en va ainsi de tous les objets célestes, de la lune jusqu’aux énormes trous noirs. La masse de ces objets étranges est si gigantesque qu’elle pourrait provoquer une déformation infinie de l’espace-temps, à l’origine des probables trous de vers.

Cette théorie qui  fait des prédictions différentes de la prédiction de Newton a été vérifiée de plein de manières différentes, elle est donc parfaitement juste et permet d’expliquer une grande quantité de phénomènes naturels tant dans le cosmos, que dans l’infiniment petit. Je vous dirais ainsi que l’action d’une masse sur la trajectoire de la lumière a été démontrée, c’est le phénomène de lentille gravitationnelle (figure ci-dessous): le halos lumineux qui entoure l’étoile provient en réalité d’une source lumineuse située derrière l’étoile et dont les rayons sont déviés du fait de la masse extrême de l’astre.

La découverte des trous noirs, l’expansion de l’Univers, les variations de l’écoulement du temps soumis à un champ gravitationnel intense. Il manquait jusqu’à ce jour un domaine de la théorie qui restait encore non vérifié, une des pierres angulaires de la théorie de la relativité générale. Il s’agit du domaine ou les courbures de l’espace et du temps sont faibles. Dans ce cas, la théorie d’Einstein se simplifie et ressemble davantage à la théorie de l’électromagnétisme de Lorentz. On retrouve en effet une théorie qui fait appel à des ondes qui se propagent, les fameuses ondes gravitationnelles. C’est en réalité un phénomène qui se passe dans un espace temps qui est peu courbé. Et c’est exactement ce qui caractérise l’espace-temps qui se trouve autour de nous : Il est peu courbé. La quasi totalité de l’Univers répond d’ailleurs à cet état de fait, les trous noirs et autres phénomènes gravitationnels extrêmes sur lesquels s’applique la théorie de la relativité générale sont choses rares et notre Univers est en réalité très peu courbé. On devrait donc rencontrer des ondes gravitationnelles.

Ces ondes, qui sont des déformations de l’espace-temps, ont également une structure particulière.

Lorsqu’elle avance et passe au travers d’un objet, l’onde gravitationnelle le déforme en le dilatant dans un sens et le contractant dans l’autre. Bien sur les déformations sont invisibles à l’œil nu et ne correspondent qu’à des variations de l’ordre du milliardièmes de micromètres (une barre de métal d’un mètre de long traversée par une onde gravitationnelle verrait sa longueur varier de 10 puissance -19 mètres) soit des variations plus petites que la taille d’un atome (10 puissance -15 mètres), mais elles existent et devraient pouvoir se mesurer.

La question que l’on peut se poser en premier lieu est : Qu’est ce qui produit des ondes gravitationnelles ?

De par leur nature, ces ondes sont infinitésimales et pour les détecter il faut alors des appareils de très grande précision qui regardent des événements cosmiques assez violents : collision d’étoiles massives, accélération de corps massifs. Dans l’Univers, ce qui se rapproche le plus de mouvements de corps massifs sont les systèmes binaires, ce sont deux étoiles très lourdes (étoiles à neutrons, trous noirs par exemple) qui tournent l’une autour de l’autre pour finalement s’effondrer l’une sur l’autre (figure ci-dessous):

Avant d’en arriver à cet extrême, les deux étoiles vont danser l’une autour de l’autre et déformer ainsi l’espace-temps qui les entoure (figure ci-dessous):

Leurs masses et leurs vitesses de rotation sont à l’origine d’ondes gravitationnelles. Mais ce n’est qu’à l’instant proche de leur collision qu’apparaît une bouffée d’ondes gravitationnelles mesurables avec nos appareils.

Depuis leur théorisation par Einstein, elles n’ont été observées qu’indirectement (pour la première fois en 1970, par deux chercheurs qui ont été récompensés du prix Nobel de physique en 1993) photo ci-dessous.

Les physiciens avaient étudié deux étoiles à neutron tournant l’une autour de l’autre. L’une de ces étoiles était un pulsar, soit une étoile émettant des ondes, notamment radios. Mais une anomalie avait été notée dans l’émission de ce signal. Or, cette anomalie (une augmentation de la fréquence de l’onde, liée à une perte d’énergie de l’étoile) correspondait exactement à l’impact qu’auraient ces fameuses ondes gravitationnelles. Ce fut la première preuve indirecte de leur existence.

Comme nous l’avons vu, seul un cataclysme peut créer une onde gravitationnelle. Et bien ce phénomène a été détecté dernièrement grâce à une technologie française : des miroirs fabriqués à Lyon qui réfléchissent l’image de ces ondes. Pour les scientifiques, ces observations permettraient de capter les lointains échos de la naissance de l’univers : le Big Bang, à l’origine de la première onde gravitationnelle.

 

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 “L’observation de ces ondes serait une preuve expérimentale de la théorie de la relativité générale, ce qui l’assoirait entièrement“, m’explique Jean Audouze, astrophysicien à l’Institut d’Astrophysique de Paris (photo ci-dessous).

Si les ondes lumineuses sont partout, où sont les ondes gravitationnelles? “Pour résumer, en physique, il n’y a que quatre types d’interactions (voir cet article ). Deux nucléaires, une électromagnétique et une liée à la gravité. Laissons de côté les deux nucléaires. L’électromagnétisme, c’est la lumière. Il y a à la fois l’émission de particules, les photons, et d’ondes lumineuses. D’ailleurs, les ondes électromagnétiques sont partout, et vous en connaissez de nombreuses: la lumière, évidemment, mais également les ondes radios, les infrarouges, les rayons X etc. Pour la gravité, c’est pareil. Il y a d’un côté des particules, les gravitons, de l’autre les ondes gravitationnelles. Sauf que ni les gravitons, ni les ondes n’ont été observées. Elles ont été imaginées et intégrées aux calculs compliqués d’Einstein et sont théoriquement présentes, mais pratiquement invisibles. Le problème, c’est que les ondes gravitationnelles sont bien plus faibles que leurs cousines liées à la lumière. La différence est de l’ordre de 10 puissance 35, ce qui veut dire que les ondes gravitationnelles sont “1 suivi de 35 zéros” plus faibles que les ondes électromagnétiques.”

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Depuis, on a cherché à mesurer directement ces ondes, afin d’avoir une preuve irréfutable de leur existence. Pour ce faire, deux grands interféromètres ont été construits, aux Etats-Unis et en Europe: Ligo et Virgo (l’interférométrie est une méthode optique permettant de mesurer de très petites variations de distance, et servant notamment à comparer la longueur d’un objet à une longueur d’onde connue) . Le fonctionnement est assez simple. On place un laser à un endroit et un autre à plusieurs milliers de kilomètres de là. Chaque laser va se réfléchir sur un miroir et revient à sa base. Quand une onde gravitationnelle passe, elle fait des ondulations sur une certaine distance. Le but est alors de mesurer la variation sur ces lasers. Mais attention, celles-ci sont minimes, même quand on mesure des ondes provenant de cataclysmes astrophysiques distants de milliers d’années-lumière: “On mesure des variations ténues de quelques microns sur une distance de milliers de kilomètres.”

(Ci-dessus) Illustration artistique d’un couple de trous noirs produisant des ondes gravitationnelles dans l’espace temps.  Photo :  NASA

Inspiral, merger, ringdown (figure ci-dessous) : Ce sont les noms anglais des trois étapes qui ont conduit deux trous noirs à se rapprocher en décrivant une spirale à la suite de pertes d’énergies sous forme d’ondes gravitationnelles, puis à entrer en collision pour finalement donner un seul trou noir. L’horizon des événements de l’objet compact final a vibré, telle une cloche frappée, en émettant des ondes gravitationnelles. L’événement a duré moins d’une seconde. Les courbes montrent les signaux détectés par les deux interféromètres Ligo, à Handford et à Livingston, aux États-Unis, le 14 septembre 2015. © Ligo, NSF, Aurore Simonnet

A 11 h 51, heure de Paris, les deux interféromètres construits aux États-Unis et qui constituent le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (Ligo), ont bel et bien détecté le passage d’une onde gravitationnelle correspondant à la fusion de deux trous noirs de masses stellaires.

Les deux astres compacts qui sont entrés en collision avant de ne plus faire qu’un seul trou noir contenaient respectivement 29 et 36 masses solaires, selon les analyses du signal observé. Bien qu’il n’ait pas été possible de situer précisément la région de la voûte céleste où s’est produit cet événement cataclysmique, on sait déjà qu’elle se trouve dans l’hémisphère sud. On sait aussi que la collision s’est produite à environ 1,3 milliard d’années-lumière de la Voie lactée.

C’est vraiment une surprise car on ne s’attendait pas à détecter un événement aussi lointain avec Ligo. Mais les masses des deux trous noirs étaient suffisantes pour produire un signal détectable sur Terre.

La vidéo qui suit, produite par le Centre national d’études spatiales de France, explique également le phénomène des ondes gravitationnelles.

Vidéo ici

Comment est-on certain que ce qui a été détecté correspond bien à des ondes gravitationnelles ?

En réalité deux interféromètres ont été construit aux Etats-Unis, l’un en Louisiane et l’autre dans l’état de Washington plus au nord (figure ci-dessous):

La détection d’une onde dans l’un des laboratoire doit être suivie d’une autre détection un laps de temps plus tard, correspondant au temps mis par l’onde pour se propager d’un détecteur à l’autre, ainsi on est certain qu’il ne s’agit pas d’un artefact ou d’un bruit parasite mais bel et bien de la détection d’une véritable onde gravitationnelle. Et c’est en effet ce qui s’est produit !

Conclusion:

Détecter un phénomène aussi insaisissable que les ondes gravitationnelles aura demandé plus de 50 ans d’efforts de par le monde dans la conception de détecteurs de plus en plus sensibles. Aujourd’hui, par cette première détection directe, les collaborations LIGO et Virgo ouvrent une nouvelle ère pour l’astronomie : les ondes gravitationnelles sont un nouveau messager du cosmos, et le seul qu’émettent certains objets astrophysiques, comme les trous noirs.

Voici donc une avancée dont il va falloir suivre les évolutions et qui sera à n’en point douter un futur prix Nobel de physique dans les années à venir !

Malgré cette avancée de la science, il me reste un petit gout amer. En effet, je m’aperçois qu’aujourd’hui on a réussit à complètement démontrer la théorie de la relativité générale. Il n’y a plus de doute, plus d’hésitation possible, plus d’incertitude. Certes, c’est la preuve que la théorie centenaire était juste et que Einstein était bien le génie que l’on supposait, en 2012 la particule de Dieu (théorisée en postulée indépendamment en 1964 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs), le boson de Higgs a été découverte et a révolutionné la physique des particules.

Alors que reste-t-il aux physiciens à découvrir ? il est clair qu’une page de la physique vient de se tourner et je trouve cela un peu triste. Tous les théoriciens qui travaillait sur ces ondes vont devoir réorienter leurs travaux.

La phrase la plus important en physique n’est pas :”Eureka j’ai trouvé !” mais plutôt “Tiens, ça c’est bizarre…” Et ici, rien de bizarre n’a été trouvé, rien qui n’ait déjà été modélisé auparavant. Espérons que les théoriciens de la physique ont encore bien du grain à moudre dans leurs laboratoires afin de nous faire rêver et surfer sur des ondes qui ne sont pas gravitationnelles celles là mais plutôt émotionnelles.

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Je tiens à remercier le Docteur Michèle THALLER, Astrophysicienne à la NASA pour son soutien et les documents et conseils qu’elle m’apporte régulièrement dans l’élaboration de cette partie du blog.