Prix Nobel de physique 2019 : cosmologie et exoplanètes

Niklas Elmehed © Nobel Media

Kungl. Vetenskapsakademien, l'Académie royale des sciences de Suède, a décerné le « prix Nobel de physique » 2019 à James Peebles, Michel Mayor et Didier Queloz, pour « leur contribution à notre compréhension de l'évolution de l'Univers et de la place de la Terre dans le cosmos ».

COSMOLOGIE PHYSIQUE

Le Canadien James Peebles, désormais américain à tous égards, professeur émérite de l'université de Princeton, a réussi à faire passer la cosmologie de la pure théorie à quelque chose de mesurable, au point de pouvoir parler de cosmologie physique. La cosmologie étudie les origines, l'évolution et la conformation de l'univers, et pour cela elle recourt à des outils fascinants, comme la théorie de la relativité.

Le rayonnement de fond diffus cosmologique

Le nœud fondamental est l'étude du rayonnement de fond diffus cosmologique (CMBR). Nous partons du principe que, évidemment, nous ne pouvons pas savoir ce qui a déclenché l'archi-célèbre Big Bang. L'hypothèse sur les instants suivants évoque une sorte de creuset de particules, maintenues ensemble par des températures très élevées, ce que les Anglo-Saxons appellent la « soupe primordiale ». Après environ 400 000 ans, sous l'effet d'un refroidissement progressif, les photons, qui ne sont rien d'autre que des particules, ont réussi à s'échapper de la soupe primordiale, créant le premier rayon de lumière de l'univers. Eh bien, ce rayon est encore présent d'une certaine manière et peut être détecté : il s'agit d'un rayonnement (non visible), d'une longueur d'onde de quelques millimètres et d'une fréquence dans la bande des micro-ondes.

Peebles, Nobel 2019 « pour ses découvertes théoriques en cosmologie physique ».

Le professeur Peebles a tout prédit sur le plan analytique. Plus tard, ce rayonnement a effectivement été capté, quoique par pur hasard. Peebles a compris que la température du CMBR pouvait nous renseigner sur le processus de libération des photons et d'autres particules après le Big Bang, et donc sur la naissance de l'univers : la cosmologie n'était plus quelque chose de purement théorique, elle pouvait utiliser des données pour étudier et des grandeurs pour mesurer.

© Nobel Media

Selon la « théorie de la relativité générale » d'Albert Einstein, la géométrie de l'univers a à voir avec la gravité. Oublions la définition de la gravité et regardons comment est fait notre univers. Est-ce un ballon de football ? A-t-il la forme d'un beignet ? Selon Einstein, plus il y a de masse (et donc d'énergie) dans l'Univers, plus celui-ci tend à se courber. Il existe cependant une valeur critique de masse et d'énergie pour laquelle l'Univers peut être considéré comme plat. Que signifie plat ? Disons que la fameuse définition des droites parallèles est valable.

Un Univers plat

Les mesures de température du CMBR, dont parlait Peebles, nous ont donné une affirmation extraordinaire : puisque le CMBR a pris une certaine température au fil du temps, alors l'univers ne peut être que plat. Nous nous attendons donc à une masse totale présente dans l'Univers telle que la fameuse valeur critique prévue par la relativité soit atteinte. Malheureusement, les comptes ne tombent pas juste : il manque de la masse. La matière baryonique (c'est-à-dire la matière « ordinaire », qui émet des rayonnements et est donc identifiable) ne représente que 5 % du total que nous attendrions. Il y a ensuite 26 % constitués de ce qu'on appelle la « matière noire » (qui n'émet pas de rayonnements et n'est donc détectable que par ses effets gravitationnels). Elle empêche, calculs à l'appui, les galaxies de s'effondrer sur elles-mêmes. Nous en sommes à 31 %, il manque environ 69 % de matière (c'est-à-dire de masse) utile pour atteindre cette valeur critique, qui, répétons-le, a été vérifiée expérimentalement : ces 69 % doivent nécessairement exister.

L'énergie noire

Peebles a ensuite introduit le concept d'« énergie noire », ou énergie du vide spatial. Avec elle, les comptes tombent juste. Rappelons que, selon Einstein, la masse et l'énergie sont les deux faces d'une même médaille. L'espace possède une énergie intrinsèque, déterminée par les fluctuations du vide. Attention, ces fluctuations sont détectables, nous ne parlons pas d'hypothèses. La fameuse « constante cosmologique » d'Einstein (sa « plus grande erreur »), quoique avec une interprétation différente, pourrait désormais être de nouveau prise en compte dans les équations, en prenant le sens d'« énergie du vide ». La professeure Suzanne Staggs, de Princeton, a bien résumé le travail de Jim Peebles : « […] il a toujours eu l'équivalent de la vue d'un satellite, mais sur tout l'univers ».

LA RECHERCHE D'EXOPLANÈTES

Michel Mayor et Didier Queloz, professeurs à l'université de Genève, ont découvert la première planète en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil (étoiles de la séquence principale, également appelées « naines »). Il s'agit de 51 Pegasi b, à 50 années-lumière de la Terre, jumelle de notre Jupiter mais située à seulement 8 millions de kilomètres de son étoile. Dissipons tout doute : exoplanète signifie simplement « planète n'appartenant pas au système solaire ». Alors, comment trouver des exoplanètes puisqu'elles n'émettent pas de lumière propre ? Le travail de Mayor et Queloz répond à cette question.

Mayor et Queloz, Nobel 2019 « pour la découverte d'une exoplanète en orbite autour d'une étoile de type solaire »

Planètes et effet Doppler

Les deux chercheurs sont partis d'un concept non trivial : de même qu'une planète se déplace autour d'une étoile, l'étoile se déplace elle aussi, quoique de façon minime, sous l'influence de la planète qui l'orbite. Ce mouvement peut être mesuré, ce qui donne une grandeur physique appelée « vitesse radiale », c'est-à-dire la vitesse de variation de la distance étoile-planète. Comment mesure-t-on la vitesse radiale ?

Prenons une onde (un rayonnement qui se propage) et sa source. Si cette source se déplace, l'observateur perçoit l'onde de manière déformée (c'est-à-dire variable par rapport à la valeur réelle) : c'est le fameux effet Doppler. Pensez à une ambulance qui file à toute vitesse pendant que vous êtes sur votre canapé : l'onde sonore produite par la sirène varie lorsqu'elle s'approche de vous, puis varie à nouveau lorsqu'elle s'éloigne. La lumière des étoiles se comporte de la même manière. Grâce à l'effet Doppler, nous pouvons étudier la vitesse radiale, grâce à laquelle nous pouvons être sûrs qu'une planète orbite autour de l'étoile, la planète étant la cause de l'effet détecté.

© Nobel Media

Grâce à la méthode qui vient d'être décrite, il est possible de déterminer la masse de la planète. Pour déterminer ses dimensions, on utilise en revanche la méthode de la « photométrie de transit ». Lorsqu'une planète s'interpose entre l'étoile et nos télescopes, l'intensité lumineuse diminue et, en proportion, nous pouvons déterminer la taille de la planète. Il existe aussi d'autres méthodes pour trouver des planètes, mais elles ne font pas partie du travail des deux nouveaux lauréats du Nobel.

Grâce à Mayor et Queloz, nous avons découvert des milliers et des milliers d'exoplanètes. La plus lointaine, une beauté, se trouve à 27 000 années-lumière : il faudrait d'urgence des trous de ver pour d'éventuelles vacances.