La constante de Hubble-Lemaître : un piège pour les astrophysiciens ?

Je ne suis pas du tout astrophysicien mais j’ai compris comment ces spécialistes ont découvert que l’Univers était en expansion et que la vitesse de cette expansion était proportionnelle à l’éloignement des objets lumineux observés. La constante de Hubble s’exprime en 1/seconde puisque, multipliée par la distance à laquelle se trouve une galaxie de la Terre, mais aussi de tout autre point dans l’espace, elle donne cette vitesse d’éloignement en km/s. Les astrophysiciens n’utilisent pas le km comme unité de distance mais le méga-parsec (Mpc). Une galaxie distante de 1 Mpc se trouve éloignée de 30 milliards de milliards de km. Pour avoir les idées claires au sujet de ces distances celle que parcourt un photon lumineux en une année – l’année-lumière – n’est « que » de 9460 milliards de km ! En d’autres termes un Mpc est égal à 3,2 millions d’années-lumière. Ça a l’air de faire beaucoup mais compte tenu de la dimension de l’Univers c’est rien du tout puisque plus les instruments d’observation sont sophistiqués et sensibles plus les confins de l’Univers sont repoussés. Néanmoins il est très difficile pour l’esprit humain de se faire une idée compréhensible de ces distances énormes. Si la constante de Hubble-Lemaître est égale à 70 cela signifie que l’Univers est en expansion à une vitesse de 70 km par seconde et par Megaparsec, en d’autres termes encore, une galaxie se trouvant éloignée de nous de 1 Mpc, soit 3,2 millions d’années-lumière s’éloignera avec une vitesse de 70 km/seconde … Et une galaxie éloignée de 3,2 milliards d’années-lumière de 70000 km/seconde ? Qui a la réponse à cette question ?

Les astrophysiciens, afin d’expliquer cette expansion inexplicable de l’Univers puisque théoriquement, selon la loi de la gravité, c’est-à-dire l’espace-temps, cet espace-temps n’a aucune raison de « gonfler » et de provoquer cette fuite apparente de tous les objets, alors les astrophysiciens ont inventé la possibilité de l’existance d’une matière noire pour tenter de comprendre pourquoi certaines observations n’étaient pas conformes à la théorie de la relativité générale, en particulier en observant et en analysant les lentilles gravitationnelles (illustration : amas de galaxies Abell370, NASA). Il s’agit de la déviation des rayons lumineux provenant d’un ou plusieurs objets distants par une concentration de matière plus proche sous forme d’amas de galaxies. Les photons ne sont pas déviés par le champ gravitationnel de l’amas mais c’est l’espace-temps qui est déformé par ce champ et les photons (qui n’ont pas de masse) suivent cette déformation. Les lentilles gravitationnelles ont été prédites par Einstein en 1915 et font toujours l’objet de controverses relatives à la masse « manquante » des amas de galaxies les provoquant. Et par définition il est difficile d’observer cette matière noire puisqu’elle est invisible. Si la matière noire n’existe pas alors pour expliquer l’inexplicable des lentilles gravitationnelles avec la théorie de la relativité générale il y a une erreur dans les équations d’Einstein.

En effet, les astrophysiciens ont calculé quelle devait être la masse de l’amas Abell370 pour provoquer les images déformées des objets lumineux – également des galaxies – se trouvant loin derrière cet amas. Ils en ont conclu que la masse totale de tous les objets constituant cet amas en se limitant à leur lumière émise n’était pas suffisante pour expliquer l’ampleur de l’effet de la lentille gravitationnelle. C’est ainsi qu’apparut le concept de matière noire. Selon des calculs auxquels je ne comprends strictement rien la matière noire entrerait pour plus des deux tiers de toute la masse de l’univers …

Ça se complique encore car l’expansion de l’univers ne peut pas être bien comprise si on n’introduit pas un autre concept, celui de l’énergie noire, pour expliquer pourquoi l’Univers est en expansion et de plus en plus en expansion en ce qui concerne les objets observables les plus éloignés : plus ils sont éloignés plus ils s’éloignent rapidement, donc quelque chose repousse tous ces objets – plus précisément des galaxies – et fait en sorte qu’ils semblent s’éloigner les uns des autres du point de vue du Terrien qui se trouve lui-même dans une une galaxie quelconque quelque part dans l’Univers. Après que Hubble et Lemaître, un curé belge, eurent découvert l’expansion de l’Univers, apparut la théorie du « Big-Bang », l’origine de l’Univers. Il s’agit d’une théorie basée sur le bruit de fond cosmologique (illustration) dans une plage de longueur d’onde comprise entre 5 et 6 centimètres moins un (1/cm) une sorte de réminiscence du Big-Bang. L’observation de ce bruit de fond s’explique par une singularité mathématique qui débouche sur la théorie du Big-Bang. Or la théorie est en désaccord avec la relativité générale et d’ailleurs Einstein n’y croyait pas !

La lourde tache des astrophysiciens sera donc d’expliquer quelles sont les véritables natures de la matière noire et de l’énergie noire et s’ils ne trouvent pas d’explication ils devront revoir leur copie, c’est-à-dire apporter une correction à la théorie de la relativité générale. J’avoue humblement que je n’y comprends pas grand chose mais une question m’a toujours hanté puisqu’elle est restée sans réponse. J’ai participé il y a une trentaine d’années en tant qu’orateur invité à un petit séminaire scientifique pluri-disciplinaire organisé par la ville de Lyon qui eut lieu dans les salons VIP de l’aéroport nouvellement construit de Lyon-St-Exupery. Un astrophysicien fit une brève communication sur l’expansion de l’Univers. Je ne suis pas arrivé à me souvenir quel avait été l’objet de mon intervention orale de 10 minutes. Lors du petit cocktail qui suivit cette réunion inter-scientifique conviviale j’eus une brève discussion avec cet astrophysicien et je lui posais la question embarrassante suivante : où se trouvent aujourd’hui les objets lumineux dont les photons émis ont parcouru 13 milliards d’années-lumière pour parvenir jusqu’à nous ? Par définition ces objets se trouvaient là où on les observe aujourd’hui il y a déjà 13 milliards d’années. Puisque l’Univers est en expansion alors où ont-ils disparu ? Se trouvent-ils aujourd’hui à 26 milliards d’années-lumière de nous ou moins loin ? Auquel cas on ne peut pas les observer puisqu’ils sont trop éloignés. Certains objets s’éloignent en effet les uns des autres à des vitesses pouvant atteindre 7000 km/seconde dans toutes les directions. Cet astrophysicien n’a pas trouvé d’argument pour me répondre. Croyait-il vraiment à toutes ces théories de plus en plus compliquées pour donner une explication à toutes ces observations qui sont toujours inexplicables 30 ans plus tard ? Je m’interroge toujours sur la vraie raison qui a obligé cet astrophysicien à ne pas répondre à ma question. Il est parfaitement compréhensible que ce scientifique ait éprouvé quelque malaise. En effet, si l’objet dont la lumière émise a voyagé pendant 13 milliards d’années-lumière était là où on l’oberve aujourd’hui, alors quand eut lieu le Big-Bang puisque l’âge de l’Univers est considéré comme étant précisément 13 milliards d’années ? Encore une question sans réponse.

Inspiré d’un article paru sur le Guardian, illustrations : fond cosmologique diffus et amas de galaxies Abell370 dans la constellation de la Baleine.

La « matière noire » s’éclaircit …

Je ne suis pas astrophysicien et la cosmologie n’est pas non plus un centre d’intérêt dans mes préoccupations. Je ne me suis jamais plongé dans les équations compliquées qui expliquent qu’il doit exister une matière noire dans les galaxies pour une raison qui m’échappe totalement. Sans vouloir contester les hypothèses et les théories variées expliquant pourquoi et comment l’Univers est ce qu’il est, c’est-à-dire ce qui est observable, j’ai déja été un peu interpellé par la théorie du « Big-Bang » et l’existence même d’une matière noire m’a paru invraisemblable puisque par définition on ne peut pas l’observer et par conséquent il sera toujours difficile d’en montrer la vraie nature.

Dans « notre » galaxie on sait qu’il existe en son centre un trou noir super-massif. Le centre de la galaxie se trouve dans la constellation du Sagittaire et ce trou noir s’appelle Sagittarius A* (Sag A*). Comme les trous noirs n’émettent pas de lumière car ils sont trop denses ils sont cependant détectables par les émissions intenses de rayons X depuis chacun de leurs pôles et pour les détecter encore faut-il que ces faisceaux très fins de rayons X soient orientés vers notre planète Terre. Selon les astrophysiciens de l’Université Columbia la probabilité d’observer un trou noir est faible, de l’ordre d’une observation chaques 100 ou 1000 ans. En étudiant de très près toutes les observations de Chandra, un satellite artificiel tournant autour de la Terre en 64 heures et opérationnel depuis près de 20 ans et dédié à l’observation des rayons X, ces astrophysiciens ont découvert qu’il existait autour de Sag A* une multitude d’autres trous noirs. Sag A* fut localisé par l’observatoire Chandra en 2001 et périodiquement cet appareil explore ce qui se passe autour de Sag A* dans un rayon de 4 années-lumière soit la distance entre le Soleil et l’autre étoile la plus proche de nous, Alpha du Centaure.

Selon les résultats de la compilation effectuée il existe des dizaines de milliers de trous noirs autour de Sag A* et à moins de 4 années-lumière de celui-ci. Les prévisions estiment que plus loin du centre de la Galaxie il y en aurait des centaines de milliers sinon des millions résultant de la fusion d’étoiles binaires ou de l’explosion de supernova. Que les astrophysiciens se rassurent : la fameuse matière noire existerait donc bien et elle serait constituée d’une multitude de trous noirs dont on n’a pu observer pour l’instant qu’une infinitésimale fraction …

Liens : https://en.wikipedia.org/wiki/Chandra_X_ray_Observatory

Nature, doi : 10.1038/nature2502Illustration : vue du Ciel en direction de la Constellation du Sagittaire. En ce moment la planète Mars se trouve dans la constellation du Sagittaire et Jupiter près du Scorpion.

La quête du WIMP, un vrai Graal !

Sous le Gran Sasso, une montagne des Abruzzes traversée par un tunnel autoroutier, se trouve un laboratoire très particulier qui traque les neutrinos venant de l’Univers et qui vient en outre de se doter d’une équipement particulier pour également partir à la recherche des WIMPs. Si vous avez entendu parler de neutrinos c’est déjà difficile à comprendre puisque ce sont des particules qui se déplacent dans l’Univers à la vitesse de la lumière et capables de traverser la Terre sans que leur trajectoire soit déviée ni que leur vitesse diminue … difficile à imaginer quand on est, comme votre serviteur, un béotien dans le domaine de l’astrophysique. Les neutrinos sont également produits par les centrales nucléaires mais rassurez-vous quand vous aurez terminé la lecture de ce billet plus d’un milliard de neutrinos venus de l’Univers tout entier auront allègrement traversé votre corps sans que votre peau ait pour autant changé de couleur.

Quant aux WIMPs c’est une autre histoire puisqu’il s’agit selon la théorie cosmologique actuelle d’une particule super-massive qui constituerait ce que les spécialistes appellent la « matière noire froide » que, par définition, l’on ne voit pas. Cette matière noire a été inventée par les astrophysiciens à l’aide d’équations très compliquées pour tenter d’expliquer certaines anomalies de la relativité générale formulée par Albert Einstein. Selon eux et en résumé très bref, la matière chaude – celle que l’on peut observer – aurait du, depuis le big-bang, se diluer or il n’en est rien. L’existence des WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) répondrait à cette question qui est une conséquence de la théorie du Big-Bang.

Au Laboratoire du Gran Sasso toutes les précautions ont été prises pour ne pas observer n’importe quoi. Le site se trouve sous 1400 mètres de roche, le détecteur constitué d’une cuve contenant du krypton liquide bourrée de photo-détecteurs est lui-même plongé dans une piscine d’eau ultra-pure elle-même bourrée de détecteurs et à l’extérieur de cet ensemble se trouvent encore toutes sortes d’instruments qui permettront au final de détecter un ou deux WIMPs par an si tout se passe bien et si naturellement les WIMPs existent réellement. Quand un WIMP entrera en collision avec un atome de krypton celui-ci émettra un photon et la détection de ce dernier, sans ambiguïté, confirmera l’existence de cette particule super-massive de peut-être 10000 fois la masse d’une noyau d’hydrogène. Ça laisse rêveur … Pour ma part je laisse aux astrophysiciens le soin de rêver car il m’est déjà difficile de croire en la véracité de la théorie du Big-Bang … Toujours est-il que le détecteur de WIMPs du Gran Sasso (Xenon1T) n’a encore rien vu après un peu plus d’un mois d’observations interrompues par un tremblement de terre en ce début d’année 2017. Si dans 5 ans pas la queue d’un WIMP n’a pu être détectée les physiciens devront revoir leur copie.

Source : arxiv.org/pdf/1705.06655v1.pdf, illustrations INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Illustrations : sphère contenant du krypton liquide, détecteurs de photons, réservoir d’eau dans lequel se trouve la sphère de krypton.

Réflexion sur la théorie du Big Bang

Hier soir, en regardant le ciel de la banlieue parisienne pour une fois (qui n’est pas coutûme) dégagé, j’ai remarqué que Jupiter poursuivait sa lente progression vers l’ouest et avait nettement dépassé Aldébaran, la principale étoile de la constellation du Taureau. Et je me suis surpris dans une profonde réflexion sur le Big Bang car j’avais lu la veille un article sur les résultats des observations du satellite Planck. Je suis loin, très loin de comprendre quoi que ce soit en astrophysique qui, en dehors des observations satellitaires ou au sol, curieusement pas ou peu intégrées aux théories actuelles tentant d’expliquer l’origine de l’univers ou tout simplement de la matière, est tout simplement une discipline scientifique qui relève de l’ésotérie. Il y a eu la découverte récente du boson de Higgs qui serait la particule expliquant la masse ou étant à l’origine de la masse des autres particules sub-atomiques, mais ça n’explique rien, en tous les cas de mon humble point de vue de biologiste à la retraite. Mais, comme toute ma carrière a été basée sur l’observation, quand je vois une belle image fournie par le site de Hubble, par exemple le Deep Field (champ profond en français) où se trouvent des milliers de galaxies situées à des distances variées de la Terre, notre bout de caillou négligeable dans notre galaxie tout à fait banale dans l’immensité de l’univers, la Terre comme notre galaxie, et que je lis en commentaire que cette image est celle de l’univers tel qu’il se présentait deux milliards d’années après le Big Bang malgré le fait que la lumière émise par le plus lointain objet a mis douze milliards d’années pour parvenir jusqu’à nous, alors là j’ai comme un doute, un très gros doute. Cette théorie, heureusement que ce n’est qu’une théorie, du Big Bang me paraît pour le moins inexplicable logiquement puisqu’on rapproche dans la même phrase deux affirmations contradictoires. Et puisque l’univers est en permanente expansion, si on voit ces objets tels qu’ils se trouvaient les uns par rapport aux autres il y a, disons, douze milliards d’années, soit un milliard d’années après le Big Bang, où se trouvent-ls aujourd’hui puisque leur signal lumineux a parcouru douze milliards d’années-lumière pour nous parvenir. J’ai comme l’impression de me répéter car en fait c’est un peu l’histoire du serpent qui se mord la queue. Cette théorie du Big Bang, formulée pour expliquer le rayonnement micro-onde cosmique de fond ou fossile, ne serait-elle pas une absurdité qui n’a plus rien à voir avec les observations. Un enfant de cinq ans à qui on expliquerait que d’un côté de la voute céleste, il y a des galaxies situées à douze milliards d’années et qu’il en est de même de l’autre côté de la même voute céleste et qu’un observateur situé au confin de l’univers d’un côté de celui-çi pourrait voir un objet situé à douze + douze, soit 24 milliards d’années-lumière de l’autre côté de l’univers, si l’on peut parler ainsi, puisque la probabilité de l’existence d’êtres intelligents autres que les hommes de la planète Terre est non nulle, cet enfant de cinq ans comprendrait tout de suite sans se poser plus de questions. Les astrophysiciens tentent de tout expliquer et même ce dernier paradoxe en considérant que l’univers « gonfle » dans tous les sens, affirmation qui nécessite encore des équations mathématiques de plus en plus tarabiscotées pour être décrite de manière satisfaisante. Dans cette science, il y a les astronomes qui observent et les astrophysiciens qui écrivent des équations mathématiques que quelques personnes seulement dans le monde arrivent à comprendre pour expliquer les observations. Et comme ils s’enfoncent dans la complexité de leurs équations, il faut de nouvelles équations et de nouvelles théories pour tenter de tout expliquer, ou plutôt, devrais-je dire, pour tenter d’expliquer l’inexplicable puisque la théorie du Big Bang est peut-être tout simplement fausse. Et il en est de même de la matière noire ou de l’énergie noire (ou sombre, plutôt inexpliquée c’est plus approprié), c’est à ne plus y rien comprendre et sans faire de jeu de môts, les astrophysiciens nagent dans le noir ! Pour compliquer le problème, s’il y en a un, le satellite Planck a clairement montré que l’univers n’était pas homogène, on dit qu’il y a une anisotropie en terme scientifique, et encore une fois un enfant de cinq ans aurait de la peine à admettre que le Big Bang ait pu privilégier certaines parties de l’univers et pas d’autres à la suite de l’explosion primordiale théorique qui aurait rayonné en tous sens avec la même intensité. Encore une fois les astrophysiciens se mettent à faire des calculs frisant l’ésotérie mystique pour expliquer en termes totalement incompréhensibles pourquoi l’univers est anisotrope, comme je l’ai dit, le serpent qui se mord la queue. Quant à l’ « âge » de l’univers, il est passé d’une dizaine de milliards d’années à maintenant 13,82 milliards d’années et quand le grand réseau de radiotéléscopes qui vient d’être inauguré quelque part dans les montagnes du Chili commencera à collecter des observations, peut-être que l’âge de l’univers sera de 15 voire 20 milliards d’années et à n’en pas douter de nouvelles équations arriveront à expliquer pourquoi on était dans l’erreur …

Crédit photo : ESA