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Venus de Botticelli : L'éclat de Venus comparé à d'autres étoiles et planètes a inspiré des visions d'une belle déesse.

Comment l'univers a-t-il commencé ? Le temps a-t-il un commencement et une fin ?
D'ou venons-nous ? Que sommes-nous? Où allons-nous ?

La Voie lactée est une galaxie avec un trou noir au centre dont la masse est probablement comprise entre 750 milliards et mille milliards de masses solaires. Son diamètre serait de 100 000 années-lumière. L'analyse de la distribution des nuages d'hydrogène révèle que c'est une spirale. Les nuages de poussières qui se trouvent à l'intérieur des bras spiraux sont transparents aux longueurs d'onde infrarouge. Elle doit son nom à cette transparence laiteuse qui le traverse de part en part sur ce que les scientifiques appellent l'équateur galactique. Son centre se trouve dans la constellation du Sagittaire, à côté de ses 2 voisines Ophiuchus et Scorpion. Les nouvelles données ont rétréci par un facteur mille le volume contenant la masse de plusieurs millions de Soleil. En effet, les modèles indiquent que la meilleure estimation du trou noir logeant au centre de la Voie lactée est de 2,6 ± 0,2 millions de masses solaires. On peut voir la Voie Lactée dans de nombreux détails sur le Gigagalaxy Zoom Project.

Lumière : Rayonnement électromagnétique dont les longueurs d'onde s'échelonnent d'environ 10-6 m (infrarouge) à 10-9 m (ultraviolet). La lumière est représentée par des ondes électromagnétiques ou par des photons, selon la dualité onde-corpuscule.
Elle se propage dans le vide à la vitesse c de 3 * 108 m*s-1, l'une des constantes fondamentales de la physique.

Année-lumière : Unité de mesure courante de la cosmographie. La vitesse de la lumière étant de 300 000 km/seconde, une année-lumière équivaut à 9460 milliards de kilomètres. A titre de comparaison, la distance de la Terre au Soleil (moins de 8minutes-lumière) est de 150 millions de kilomètres environ.

La vitesse de la lumière : Une année-lumière est égale à la distance parcourue en un an par la lumière se déplaçant à la vitesse de 300000 kilomètres par seconde. Les calculs ci-dessous représentent la conversion d'une année-lumière en kilomètres (image droite ->).
Des nombres de cette importance sont évidemment fort encombrants et les mathématiciens se servent d'une sténographie particulière à base d'exposants (carré, cube, etc.)
100 devient 102, 1000 devient 103, 10000 devient 104, une année-lumière s'écrit 1013.

1 parsec = distance à laquelle on voit l'Unité Astronomique sous un angle d'une seconde (abbréviation : pc).
Le parsec est défini à partir de l'unité astronomique, donc les distances entre les étoiles peuvent être mesurées dans la même unité que les distances dans le système solaire. Ce n'est pas le cas avec l'année-lumière, dont la définition ne fait intervenir que les propriétés de la lumière. Formules de transformation des unités : 1 pc = 3,26 années-lumière = à peu près 3 1013 km

Étoile : Astre produisant lumière et chaleur. On voit à l'oeil nu environ 3000 étoiles. La plus rapprochée est située à plus de quatre années-lumière, soit 300000 fois plus loin que le Soleil.

Galaxie : La Voie Lactée était déjà observée par les Anciens qui l'avaient nommée Galaxie à cause de l'aspect laiteux que présente dans le ciel cette bande de luminosité faible et irrégulière.
Elle a été étudiée par Galilée, qui y distingua de nombreuses étoiles (1610) et Herschel qui en dressa le profil. C'est à Hubble que l'on doit d'avoir mis en évidence l'existence d'autres galaxies (1924). La radioastronomie montra en 1951 que notre Galaxie est de type spiral, de 100 000 années-lumière de diamètre, la tranche, épaisse de seulement 1000 à 3000 années-lumière étant seule accessible à l'observation.

Les galaxies : On dit aussi les « galaxies extérieures » pour les distinguer de notre propre Galaxie. Ce sont aussi des systèmes d'étoiles. Les télescopes en aperçoivent environ mille millions, jusqu'à plus d'un milliard d'années-lumière de nous.

Le soleil est une petite étoile faisant partie du système stellaire dit: Galaxie C'est un disque renflé ou centre dont le diamètre est évalué à 80000 années-lumière. Le nombre d'étoiles de la Galaxie on estimé : 200 000 000000.
Soleil : Comparé à la Terre et aux autres planètes, le Soleil est une immense sphère d'un diamètre de 1 392 000 km. En volume, il peut contenir 1 million de Terre. Sa masse est si gigantesque qu'elle représente 99,86 % de l'ensemble de la masse du système solaire. La masse du Soleil est égale à 332 950 Terres.

LeTrou Cosmique ultime formé lorsqu'une étoile super géante très massive explose en supernova à la fin de sa vie. L'explosion crée un point super dense dans l'espace dont rien ne peut échapper à l'attraction gravitationnelle. Pour créer un trou noir, une étoile doit avoir une masse d'au moins 60 masses solaires, ce qui donnera un trou noir d'environ 3 masses solaires. Les trous noirs peuvent être décelés par les effets qu'ils provoquent sur les étoiles environnantes. On pense que le centre de la plupart des galaxies, y compris la nôtre, la Voie Lactée abritent un trou noir super massif qui a du aspirer des milliers d'étoiles.

Carte d'identité de la Voie lactée
Genre : galaxie spirale du type Sb ou Sbc ou peut-être de SBb à SBbc. Age : celui de l'univers moins quelque millions d'années, c'est à dire ~15 milliards d'années.
Masse : 200 à 400 milliards d'étoiles selon les dernières estimations (1999). Diamètre : 100 000 années-lumière, mais s'étend en fait jusqu'à 500 000 al. Révolution au niveau du Soleil : 240 millions d'années. Vitesse par rapport au fond diffus de l'univers : 550 km/s.

Une Odyssée Transsibérienne l'Esprit le Couloir du Temps

Histoire Planetquest Timeline.

Le Système solaire s'est formé il y a 4 milliards et demi d'années
Le Système solaire est situé dans les régions extérieures de la Voie lactée, à seulement 20 années-lumière au-dessus du plan galactique, mais à 28 000 années-lumière du centre, valeur confirmée par le satellite astrométrique de l'ESA, Hipparcos.
Les premières traces d'organismes vivants (bactéries) sur la Terre ont trois milliards huit cents millions d'années. Les premiers organismes multicellulaires datent de l'explosion du cambrien, il y a cinq cent soixante-dix millions d'années. Les dinosaures ont régné sur la Terre pendant cent soixante millions d'années avant de disparaître il y a soixante-cinq millions d'années.

Les premiers primates hominidés sont apparus il y a soixante-cinq millions d'années. Lucy est descendue de son arbre il y a trois millions d'années. Il y a quatre cent mille ans, l'homme préhistorique domestique le feu. L'Homo sapiens, doté de l'aptitude au langage, apparaît il y a deux cent mille ans. Notre concurrent, l'homme de Neandertal, a disparu il y a 35 000 ans après avoir cohabité avec notre ancêtre Cro-Magnon. La civilisation des peintures rupestres, de la grotte Chauvet à celle de Lascaux, se situe entre trente-deux mille et dix-sept mille ans avant notre ère. Le néolithique commence il y a dix mille ans. L'écriture apparaît à Sumer il y a cinq mille ans.

La Voie Lactée

 

La Voie Lactée & Au-delà de l'Univers

Percer la confusion première de la Voie Lactée, dépasser le réseau arachnéen des étoiles voisines et la fumée stellaire, traverser les vides transparents au-delà et découvrir dans l'obscur lointain les citadelles lumineuses des autres galaxies, telle a été la grande aventure et la grande révélation de l'astronomie du XXème siècle. Cette expérience gigantesque a permis pour la première fois de voir la beauté du Cosmos. Pour les astronomes, le spectacle des galaxies a ouvert de nouvelles perspectives, et à permis d'échafauder de nouvelles théories.


Mosaïque de la région du Centre galactique de la Voie Lactée. Cette image est 1 milliard de mosaïque de Pixel RVB de la région centrale galactique (Pixel de 340 millions dans chaque de R,V et de B couleur). Elle montre la région enjambant du Sagittaire (avec le centre de manière laiteuse et le secteur M8/M20 du côté gauche) à Scorpions (avec Antares coloré et région de Rho Ophiuchus du côté droit) et à nébuleuse de patte de chat (nébuleuse rouge au fond). Cette mosaïque a été assemblée à partir de 52 gisements différents de ciel faits à partir de 1200 différentes images et pendant 200 heures de durée d'exposition totale, la taille finale d'image est les Pixel 24000 x 14000. Les images ont été prises avec un appareil-photo de SBIG STL camera + Takahashi FSQ106Ed f/3.6 télescope and NJP160 des cieux clairs de l'observatoire ESO Paranal Observatory in Chile. Cette mosaïque est l'une des trois parties du projet de bourdonnement ESO Gigagalaxy ainsi que cette image de mosaïque entière incroyable du ciel par ESO/S.Brunier et cette image de mosaïque fantastique d'ESO the Lagoon nebula region.

Pour l'homme, ce spectacle l'a fait douter et espérer, douter que tout l'Univers visible puisse exister comme seul véhicule de l'accomplissement de la destinée. Espérer comprendre enfin les structures ultimes et les problèmes du Cosmos. On peut se rendre compte de la taille et de l'importance véritable d'une galaxie par une nuit claire. Il suffit de lever la tête et de trouver dans le ciel une légère tache brillante de la dimension de la Lune dans la constellation d'Andromède. C'est là une galaxie qui, d'après les plus récents calibrages, se trouve à 2 millions d'années-lumière. De taille et de forme visibles, elle se trouve cependant à des quadrillions de fois plus éloignée qu'aucun satellite fabriqué par l'homme, à des trillions de fois plus éloignée que la Lune, à des milliards de fois plus lointaine que Pluton, à plus de 2 millions de fois plus lointaine que l'étoile la plus proche et plus de 1000 fois plus éloignée que l'étoile la plus pâle perceptible à l'oeil nu, en fait, la lumière que l'on voit a quitté Andromède il y a 2 millions d'années.

Visible sans télescope, la grande nébuleuse d'Andromède fut remarquée par les astronomes de l'antiquité et classée dans une liste d'étoiles fixes par l'astrologue perse AI Sufi, en 964. Les deux seules galaxies que l'on puisse observer facilement à l'oeil nu, toutes deux dans l'hémisphère austral, furent repérées pour la première fois au XVème siècle, par les capitaines portugais du prince Henri. Le Navigateur, revenant de leurs tentatives de trouver un chemin vers l'est en contournant l'Afrique. En raison du voyage plus long qu'accomplit Magellan quelques années plus tard, ces deux galaxies portent le nom de Nuages de Magellan.

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A travers les premiers télescopes, le nombre des galaxies visibles se trouva grandement multiplié, mais elles continuèrent toutes à avoir l'aspect de nuages comme les Nuages de Magellan, à tel point que les astronomes ne les distinguaient pas des véritables nuages de poussière et de gaz se déplaçant dans les bras en spires dé la Voie Lactée. suite colonne droite

 

Sous le nom passe-partout de nébuleuses, les galaxies éloignées et les nuages authentiques attirèrent l'attention des observateurs, surtout parce que les seconds, gênants, étaient faciles à confondre avec les comètes s'approchant de la Terre.

Un astronome du XVIIIème siècle, Charles Messier (I73-1817), qui, infatigable, observait les comètes du haut de la tour de l'hôtel de Cluny, catalogua 103 des plus, importantes nébuleuses et amas d'étoiles pour se rappeler de n'en tenir aucun compte. C'est pourquoi un grand nombre de galaxies majestueuses, proches de la Voie Lactée, sont identifiées aujourd'hui sous le nom de Messier, ou par la lettre M suivi d'un nombre, en hommage à un homme qui en détestait la vue. La grande spirale d'Andromède par exemple est désignée par M 31.

 

La Galaxie Voie Lactée

 

La Galaxie, appelée Voie Lactée, est un système stellaire auquel appartient le Soleil. Nous pouvons nous représenter la Galaxie comme une île très vaste. La plupart des étoiles est concentrée dans un disque plat, élargi au centre (figure gauche). La partie centrale renflée du disque a un diamètre d'environ 15000 années-lumière; le diamètre du disque entier serait de 90000 années-lumière. Le disque possède une structure spiralée.

Vers le plan du disque, des nuages de gaz et de poussière interstellaire se concentrent. Le Soleil (O) se situe à plus de 28 000 années-lumière du centre de la Galaxie, localisé dans la direction de la constellation Sagittarius (Sagittaire). Dans le plan du disque, d'énormes quantités d'étoiles voisines se projettent sur le ciel pour former la bande argentée de la Voie lactée. Les fenêtres galactiques, par lesquelles on peut regarder l'espace cosmique, le monde des galaxies, se trouvent en dehors du plan de la Galaxie.

galaxies Hubble
Classifiçation des galaxies Hubble

Le disque est enveloppé par un halo sphérique de 100000 années-lumière de diamètre contenant de vieilles étoiles et des amas globulaires. Depuis 1973 on sait qu'il existe une partie externe de la Galaxie, appelée couronne dont le diamètre dépasse 400000 années-lumière La couronne est très ténue, nous ignorons jusqu'à présent quelle est sa composition. Elle se manifeste par des effets gravitationnels sur la rotation de la Galaxie. En comptant la couronne, la masse totale de la Galaxie dépasserait un billion ( 1012 ) de soleils.

Les Sytèmes Stellaires appelés galaxies constituent les pierres angulaires de l'univers. Certains ressemblent à notre Galaxie, d'autres, s'en différencient notablement par leur constitution et leur masse. Les galaxies se répartissent en elliptiques (E), spirales (S) et spirales barrées (SB) (figure droite).


Les galaxies elliptiques ont une forme ellipsoïdale sans frontières nettes. Les spirales se subdivisent en sous-classes a, b, c selon l'ouverture de la spirale et dans l'ordre décroissant des dimensions des noyaux. Dans le type SB, les bras spiralés débouchent sur la barre qui traverse le noyau. Les types SO et SBO partagent certaines caractéristiques des galaxies elliptiques et en spirale. Mais elles ne possèdent pas de structure spiralée développée. Les galaxies à forme irrégulière sont désignées par Irr (irregular). Outre cette, classification dite de Hubble, il existe d'autres classifications plus détaillées.

Avec un petit télescope nous ne pouvons observer que les galaxies les plus brillantes qui ressemblent la plupart du temps à des nuages brumeux peu nets. Les grands télescopes agrandissent à tel point ces objets fascinants que nous pouvons apercevoir au sein des plus proches des étoiles, des amas et des nébuleuses. Sur des photographies en couleur, les bras en spirale sont en général bleutés; ils doivent leur coloration au rayonnement d'étoiles chaudes qui s'y forment. Les couleurs jaune et rouge dans les parties centrales des galaxies témoignent de la présence d'étoiles plus anciennes.

Les galaxies se regroupent daris des formations plus importantes, dans des groupes contenant jusqu'à des dizaines de membres, ou des amas contenant des centaines, voire des milliers de membres. Il existe des systèmes encore plus complexes. Notre Galaxie appartient à un groupe, appelé Groupe Local, qui compte environ 25 galaxies. Les galaxies s'éloignent les unes des autres. Plus la distance qui les sépare est importante, plus elles s'éloignent rapidement. Nous appartenons donc à un univers en expansion.


Le trou noir de la Voie lactée est entré en éruption 1/2 & 2/2

Galaxie, Voie lactée à laquelle appartient le Soleil. Sa nature fut révélée, pour la première fois, par Galilée en 1610. Peu à peu, on découvrit qu'elle est aplatie en forme de disque regroupant 100 milliards d'étoiles. La Voie lactée est une grande galaxie spirale son diamètre un disque est d'environ 100 000 années-lumière, elle tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Le Soleil est une étoile de cette galaxie, et distancé de environ 28 000 années-lumière du centre de la galaxie. Les dimensions du Système solaire c'est comme un disque d'environ 6 milliards de Km de rayon. La plupart des planètes trouvées jusqu'ici se trouvent environ à 300 années-lumière de notre Soleil.
 

 

Planètes Solaires

  • Le Soleil
  • La Terre
  • Trous noirs
  • Le Cosmos
  • Plantes
  • Jupiter
  • Saturne
  • Uranus
  • Neptune
  • Pluton

Le soleil est une étoile, une boule chaude des gaz rougeoyants au coeur du système solaire. Parmi les milliards d'étoiles que referme la Galaxie la Voie Lactée, l'étoile qu'on appelée Soleil n'est pas un objet exceptionnel. Le Soleil est pourtant une étoile capitale pour les habitants de la planète Terre. Elle est la principale source d'énergie, de lumière, de chaleur, et permet la manifestation de la vie sur la planète Terre. C'est également l'unique étoile que nous pouvons observer de prés et en détail. Son influence se prolonge bien au-delà des orbites de Neptune éloigné et de Pluton. Sans énergie intense et la chaleur du soleil, il n'y aurait aucune vie sur terre. Une étoile comme le Solei, il y a des milliards dispersé à travers toute la galaxie.

Le Soleil, étoile centrale du système solaire, a inspiré des histoires mythologiques dans toutes les cultures autour du monde, y compris ceux des Egyptiens antiques, des Aztèques des tribus du Mexique, du Natif américain de l'Amérique du Nord et du Canada, du Chinois et de beaucoup d'autres. Un certain nombre de cultures antiques ont établi les structures en pierre ou ont modifié des formations de roche normales pour marquer les mouvements de la lune, du soleil et de la terre, ils ont dressé une carte des saisons, ont créé des calendriers et ont surveillé des éclipses solaires et lunaires. Ces emplacements architecturaux mettent en évidence des alignements délibérés aux phénomènes astronomiques : levers de soleil, levers de la lune, même des étoiles ou de planètes. Beaucoup de cultures ont cru que la terre était immobile et le soleil et d'autres planètes, et étoiles tournant autour de la planète Terre. Les astronomes et les anciens philosophes grecs ont su ce concept géocentrique depuis le 6ème siècle Avant Jésus Christ.

Une illustration montrant la taille de la terre, comparé au volume du Soleil.

Le soleil est l'étoile la plus proche de la terre, à une distance moyenne de notre planète de 149.60 millions de kilomètre. Cette distance est connue comme unité astronomique (AU abrégé), et les ensembles la balance pour mesurer distance tous à travers notre système solaire. Le Soleil à une sphère énorme la plupart du temps du gaz ionisé qui soutient la vie sur la planète Terre. Le raccordement et les interactions entre le soleil et la Terre conduisent les saisons, les courants d'océan, le temps et le climat.

Environ un million de terres ont pu s'adapter à l'intérieur du soleil. Il est lié par l'attraction de la gravité, produisant l'immense pression et température à son noyau. Le Soleil a six régions : le noyau, la zone radiative, et la zone convective dans l'intérieur ; la surface évidente (la photosphère) ; la chromosphère ; et la région extérieure - la corona.

Au noyau du Soleil, la température est environ 27 millions de degrés de Fahrenheit (15 millions de degrés de Celsius), qui est suffisant pour soutenir la fusion thermonucléaire. L'énergie produite dans le noyau actionne le Soleil et produit essentiellement toute la chaleur et lumière que nous recevons sur Terre. De l'énergie du noyau est portée à l'extérieur par le rayonnement, qui rebondit autour de la zone radiative, prenant environ 170.000 ans pour arriver du noyau à la zone conceptrice. La température chute en-dessous de 3.5 millions de degrés de Fahrenheit (2 millions de degrés de Celsius) dans la zone conceptrice, où les grandes bulles du plasma chaud (un potage de atomes ionisés) se déplacent vers le haut.

La surface du Soleil - la photosphère - est une région épaisse de 500 kilomètres (300-mile-thick), dont la majeure partie du rayonnement du soleil s'échappe à l'extérieur et est détectée comme la lumière du Soleil que nous observons depuis la Terre environ huit minutes après qu'elle sort du Soleil. Les taches solaires dans la photosphère sont des secteurs avec les champs magnétiques forts qui sont plus frais, et ainsi plus foncé, que la région environnante. Le nombre de taches solaires va à travers tous les 11 ans en tant qu'élément du cycle d'activité magnétique du Soleil. Également reliées à ce cycle sont des éruptions chromosphériques lumineuses et les éjections de masse coronales énormes qui soufflent au loin du Soleil.

La température de la photosphère est environ 10.000 degrés de Fahrenheit (5.500 degrés de Celsius). Au-dessus du mensonge de photosphère la chromosphère effilé et la corona (" couronne "). La lumière visible de ces régions supérieures est habituellement trop faible pour être vue contre la photosphère plus lumineuse, mais pendant des éclipses solaires totales, quand la lune couvre la photosphère, la chromosphère peut être vue comme jante rouge autour du soleil tandis que la corona forme une belle couronne blanche avec le plasma coulant à l'extérieur, formant les points de la couronne.

La température augmente avec l'altitude, atteignant les températures à mesure que hautes à mesure que 3.5 millions de degrés de Fahrenheit (2 millions de degrés de Celsius). La source de chauffage coronal a été un mystère scientifique pendant plus de 50 années. Les solutions probables ont émergé des observations par le SOHO et TRACENT les missions, qui ont trouvé des pièces rapportées de champ magnétique couvrir la surface solaire entière.

Les scientifiques pensent maintenant que ce tapis magnétique est probablement une source de chaleur intense de la corona. La corona se refroidit rapidement, la chaleur perdante comme rayonnement et sous forme de vent solaire - un jet des particules chargées qui coule dans le bord du Système Solaire.

Contenu l'intérieur des planètes du système Solaire



Comment le Soleil a obtenu son nom.
Le Soleil a beaucoup de noms dans beaucoup de cultures. Les grecs anciens l'ont appelé Hélios et les Romains antiques l'ont appelé le Sol, qui a été traduit en Soleil dans l'anglais moderne. L'union astronomique internationale (IAU), n'a pas décidé d'un nom simple pour le Soleil (ou la lune pour cette matière), mais soutient la pratique commune d'employer le nom du Soleil dans toute langue.

Dates significatives
  • 150 A.D. : Le disciple grec Claudius Ptolemy écrit l'Almagest, formalisant le modèle Terre le centré du Système Solaire. Le modèle a été accepté jusqu'au XVIème siècle.
  • 1543 : Nicolas Copernic édite, sur les révolutions des sphères célestes décrivant son modèle (soleil-centré) héliocentrique du système solaire.
  • 1610 : Premières observations des taches solaires par un télescope par Galileo Galilée et Thomas Harriot.
    Les observations de Galilée sur Jupiter confirment que le Soleil est le centré du Système Solaire.
  • 1645 à 1715 : L'activité de tache solaire diminue presque à zéro, probablement entraînant une peu de période glaciaire sur la Terre.
  • 1860 : Les observateurs d'éclipse voient un éclat massif de matériel du soleil, c'est la première éjection de masse coronale enregistrée.
  • 1994 : Le vaisseau spatial d'Ulysse fait les premières observations des régions polaires du Soleil.
  • 2004 : Le vaisseau spatial Genesis de la NASA renvoie des échantillons du vent solaire à la Terre pour l'étude.
  • 2006 : Ulysse commence son troisième ensemble de passages donnée-sourcilleux au-dessus des pôles du nord et du sud du Soleil.
  • 2007 : La mission (STÉRÉO) terrestre solaire d'observatoire de relations du double vaisseau spatial de la NASA renvoie les premières images tridimensionnelles du Soleil.
  • 2009 : Après plus de 18 ans, la mission d'Ulysse finit. Ulysse était le premier et seulement le vaisseau spatial pour étudier le Soleil aux latitudes solaires élevées.
Crédit : @ NASA
La Terre

La Terre fut créée brûlante. Elle fut d'abord une masse gazeuse, tournant sur elle-même avec une extrême rapidité. La chaleur qu'elle perdait dans l'espace entraîna son refroidissement. Elle devint une boule liquide, puis une sphère pâteuse. Puis une écorce solide se forma sur cette masse incandescente qu'entourait une atmosphère épaisse de méthane, d'azote et de vapeur d'eau. Quand Ici température superficielle se fut abaissée d'une manière suffisante, l'eau se condensa, s'accumula dans les océans et les marées de ceux-ci, provoquées par l'action de la Lune et du Soleil, se mirent à freiner la rotation de la planète, augmentant la durée de ses jours d'une seconde tous les 120.000 ans. Le refroidissement continue; la température de la Terre s'abaisse; le feu central se glace peu à peu sous nos pieds. La Terre fut créée brûlante et va en se refroidissant… …La Terre fut créée froide. Elle fut d'abord, comme tous les corps célestes, comme le Soleil lui-même, un nuage de poussière cosmique. Ce nuage se condensa, s'aggloméra, acquit une densité de plus en plus forte et prit peu à peu les dimensions de la Terre d'aujourd'hui. Au commencement, la poussière cosmique était aussi froide que les intervalles interstellaires, dont la température est voisine du zéro absolu.

Mais sa contraction l'échauffa progressivement et, quand la Terre prit forme, sa température devait être d'un millier de degrés environ. Elle continua de croître, en vertu de la radioactivité et parce que la Terre perd dans l'espace moins de chaleur qu'elle n'en produit dans son sein. De 1000 degrés, la température interne est passée lentement à 3000 ou 4000 degrés, triplant ou quadruplant depuis le commencement du monde. Le phénomène se poursuit. La Terre est un astre qui fut créé froid et va en se réchauffant…

Cette opposition de deux thèses, ces deux manières diamétralement opposées d'envisager les problèmes, elles sont la règle générale dans la science de la Terre en son état actuel. Nulle n'est à la fois aussi riche et aussi confuse, pleine d'hypothèses contradictoires, de théories en bataille les unes contre les autres et de querelles entre savants. On peut croire, sans cesser d'avoir une caution scientifique, que la Terre a été créée chaude ou froide; que son centre est fait de fer ou d'hydrogène et qu'il est liquide ou solide; que ses pôles basculent périodiquement ou qu'ils ne basculent pas; que ses continents se déplacent ou restent immobiles; que ses montagnes ont été créées par contraction suivant le mécanisme de l'accordéon, ou par convection, suivant celui des bulles crevant à la surface de l'eau; que la Lune est sortie de l'océan Pacifique ou qu'elle est venue d'ailleurs, etc.

Toutefois il serait faux et injuste de tirer de cette confusion des doctrines un motif d'ironie ou une leçon de scepticisme à l'égard de la science. Nous sommes à une époque où les idées se revissent, où les faits se reclassent, où des progrès sérieux sont imminents. La principale raison de la confusion des doctrines est la médiocrité paradoxale de nos connaissances.

L'homme il envisage de lui donner incessamment dés satellites artificiels, mais non de descendre plus avant que les 3.000 mètres qu'atteignent péniblement les mines d'or les plus-profondes de l'Afrique du Sud. Les fusées s'élèvent à plusieurs centaines de kilomètres dans la stratosphère, mais les sondes ne se sont jamais enfoncées à plus de 6.000 mètres, soit moins du millième du rayon terrestre, qui est de 6378 kilomètres environ. On ira certainement dans la Lune et probablement dans Mars, avant de pénétrer, non pas même jusqu'au centre de la Terre, mais au-delà de ce que les géologues nomment la croûte ou l'écorce, c'est-à-dire la zone solide, épaisse, suppose-t-on, d'une cinquantaine de kilomètres et consistant principalement en roches granitiques reposant sur un soubassement de basalte.

Au-delà, à une distance moindre que celle de Paris à Etampes, commence un mystère aussi total que celui des galaxies. C'est la raison pour laquelle toutes les hypothèses sont possibles et pourquoi tant d'entre elles sont vraisemblables, en face d'hypothèses contradictoires qui ne le sont pas moins. L'idée de la naissance froide de la Terre a été émise par Weizsaecker et développée par Harold Urey. Elève de Niels Bohr, découvreur de l'eau lourde, prix Nobel 1934, Urey a délaissé la spécialité atomique dans laquelle il s'est fait un nom mondial pour essayer de déchiffrer les rébus du globe terrestre. De ce puissant sexagénaire, âprement discuté par les autres savants, on ne peut attendre que des prises de position retentissantes. Artisan de la bombe d'Hiroshima, il réclama un gouvernement fédéral mondial pour prohiber les armes atomiques, mais, en 1950, il intervint pour que l'Amérique Construise la bombe H et contraigne ensuite l'U.R.S.S. au désarmement nucléaire sous la menace d'un ultimatum.

En 1953, il porta jusqu'à la Maison Blanche une vive campagne en faveur de Julius et d'Ethel Rosenberg dont il jugeait que la culpabilité n'avait pas été démontrée. Son intervention dans Ia question de la Terre ne fut pas moins tranchante et génératrice de polémiques passionnées. Le refroidissement progressif de la Terre était une notion aveuglément acceptée par des générations d'écoliers et d'académiciens, et la géologie en tire une foule de conséquences des plus utiles pour expliquer la formation des roches, le plissement de l'écorce terrestre, etc.

Terre en coupe

En vérité, certaines difficultés s'étaient élevées, contraignant d'admettre que le refroidissement, après avoir été extrêmement rapide, s'était ralenti jusqu'à devenir imperceptible. Suivant Gamow, 5000 ans (une seconde de temps cosmique) avaient suffi pour faire passer la Terre de l'état gazeux à l'état liquide et la formation d'une-croûte solide autour de cette boule en fusion n'avait pas demandé plus des 10000 années suivantes. La Terre s'était trouvée ensuite dans la situation d'une pomme sortant du four, tempérée à sa périphérie et gardant dans ses profondeurs la chaleur dont elle avait été gorgée. Mais le principe du refroidissement progressif restait debout. Urey le démolit à son tour, provoquant un enchaînement de réflexions extrêmement intéressantes sur le vieux problème du feu central.

Ce feu central est l'une de énigmes les plus irritantes de la planète Terre. On enseigna longtemps, sans sourciller, que l'écorce terrestre, la croûte solide portant les hommes et leurs moissons, n'était qu'une pelure de pomme, une pellicule de quelques dizaines de kilomètres d'épaisseur reposant sur un creuset de matière en fusion. L'accroissement de la température avec la profondeur, telle qu'on pouvait la déduire des mines et des tunnels, conduisait à des valeurs de cauchemar. En perçant le Simplon, les ouvriers avaient été mis en fuite par des fontaines d'eau chaude à 60 degrés et, dans les mines d'Afrique du Sud, il fallut installer des appareils de conditionnement d'air valant des millions de dollars pour poursuivre l'extraction de l'or.

A raison d'une élévation de température de 4 à 6 degrés par cent mètres de profondeur, on devait atteindre au centre du globe un quart de million de degrés. La Terre était vraiment un enfer ambulant et il fallait aux hommes un fier courage pour oser s'endormir chaque soir. La chose surprenante, c'était qu'il ne parvînt à la surface du globe qu'une quantité infinitésimale de cette, immense chaleur. En chiffres, cela s'exprime par un millionième de calorie-seconde au centimètre carré. C'est trente mille fois moins que la chaleur apportée par le soleil à la même unité de surface, et c'est si peu que ce dégagement de chaleur ne refroidit pas la Terre d'un degré en cent millions d'années.

Terre en coupe, entoure de son atmosphère telle que la conçoit le savant américain Bullen : 1 : traces de l'atmosphère jusqu'à 1000 km environ.
2 : couche de l'atmosphère connue (blanc) de 100 km environ. 3 : écorce terrestre (en noir) moins de 100 km. 4 : le Cima ou manteau, 2900 km environ, assez forte densité. 5 : noyau extérieur, 2800 km environ. 6 : noyau central, 1380 km environ.

Le refroidissement, qui avait fait d'une boule de feu une planète habitable, n'avait pas enlevé à la Terre plus de 30 à 50 degrés centigrades depuis que l'écorce terrestre s'était formée. Il fallait imaginer des explications fantastiques sur la conductibilité des roches pour justifier un feu central si chaud d'être si peu chauffant. On n'est plus du tout sûr que la chaleur de la Terre soit, même pour une partie, le résidu de la haute température qu'elle eut à sa formation. Cette chaleur provient peut-être uniquement de la radioactivité, c'est-à-dire de la lente désagrégation du radium, de l'uranium, du thorium, du potassium, etc. qui se trouvent à l'intérieur des roches.

Encore les calculs causent-ils beaucoup de perplexité. On connaît la radioactivité des roches superficielles à base de granit, et l'on évalue celle des roches sous-jacentes, à base de basalte. C'est largement assez, c'est plutôt trop pour produire toute la chaleur d'origine terrestre enregistrée à la surface du sol. La radioactivité doit donc diminuer rapidement à partir d'une quarantaine de kilomètres de profondeur et elle doit être nulle ou pratiquement nulle au centre du globe.

Rien n'est plus providentiel pour les petits hommes, car la Terre serait inhabitable si elle avait dans sa masse le même dégagement de chaleur et de radiations que dans sa pelure. Mais personne n'a encore dit pourquoi. Dépeint comme immensément chaud, le centre de la Terre est plutôt représenté aujourd'hui comme relativement froid.

A une centaine de kilomètres de profondeur, l'accroissement moyen de la température (gradient) baisserait brusquement, et vers 300 kilomètres, il s'inverserait, entraînant le refroidissement d'une couche intermédiaire dont l'importance ans la formation du relief serait particulièrement important. La température remonterait ensuite, mais sans atteindre les chiffres torrides dont faisait état la vieille science. On parle pour le centre de quelques milliers de degrés, de 1500 peut-être, ce qui est à peine la température de la fusion du fer. Ce n'est pas sur une bombe atomique ; c'est sur un haut fourneau que nous vivons.

La meilleure manière de le savoir serait d'y aller voir, ou tout au moins de pratiquer, dans un but de recherches scientifiques, des sondages extrêmement profonds. Le professeur Ewing, de l'Université de Columbia, le suggère en conseillant de s'attaquer au fond d'un océan pour bénéficier d'une croûte plus mince que le soubassement continental. Mais les difficultés financières et techniques sont immenses. A partir d'une certaine profondeur, disent les prospecteurs de pétrole, la rotation des trépans devient très difficile, comme si une main jalouse saisissait l'outil pour l'immobiliser. Long temps encore, il faudra s'en remettre à l'imagination et à des témoignages indirects pour décrire l'intérieur du globe, et notamment pour savoir si le centre de la Terre est solide ou liquide - sujet de controverse serrée entre les géophysiciens.

L'eau, l'atmosphère et la chaleur des rayons solaires concourent à créer les conditions indispensables à la vie. C'est le seul lieu de vie que nous connaissons dans l'Univers jusqu'à présent. Lorsque nous observons la Terre de loin, nous constatons combien la planète est fragile et vulnérable, perdu dans un cosmos infini, inhospitalier. Comme tout autre corps cosmique, la planète Terre est un composant organique de l'Univers et entretien avec lui certaines types de relations. Ils sont liés par des échanges d'énergie, par le champ gravitationnel et magnétique.

Les programmes de Géophysique encercle pratiquement tous les problèmes qui hérissent la science de la Terre. On espère obtenir quelques renseignements supplémentaires sur la composition du noyau terrestre, et, inversement, on soumet à l'investigation la plus stricte possible la pluie atomique qui s'abat sur les hautes couches de l'atmosphère, faisant suinter jusque nous les mystérieux rayons cosmiques. On étudie les fluctuations déconcertantes du champ magnétique terrestre, lequel ne se contente pas d'exister malgré toutes les données de la science, mais se comporte avec une extrême fantaisie.

On s'attaque sérieusement aux tremblements de terre, qui ont tué des millions d'hommes au cours de l'histoire, mais dont il faut bien avouer honnêtement que nous n'en connaissons à peu près que les effets. On veut savoir si la Terre continue de répandre dans l'espace les gaz qui l'entourent, la précieuse atmosphère qui permet la vie et que la Lune et Mars ont perdue, soit totalement, soit en très grande partie. On veut avoir aussi le coeur net sur le réchauffement du globe, sur la curieuse évolution du climat, qui fait remonter la morue de plusieurs degrés vers le pôle, qui dégage les villages groenlandais enfouis sous la glace depuis l'an 1000 et qui a fait perdre à la banquise boréale deux millions de kilomètres carrés en cinquante ans. Que se passera-t-il si elle continue à fondre, si le régulateur de température qu'elle constitue disparaît, si l'eau qu'elle libère fait monter le niveau des mers et si le contrepoids qu'elle oppose aux glaces croissantes du pôle Sud n'existe plus?

La vérité sur la terre n'est pas pour demain, il ne faut pas attendre réponse à tout. La Géophysique fournira à coup sûr un matériel immense, mais il serait enfantin d'aller imaginer qu'elle apportera des réponses enrubannées de certitude à toutes les questions que posent les hommes à leur planète privée.

La science procède rarement par coups de théâtre. Celle de la Terre, en pleine reconstruction, restera longtemps encore plastique et malléable comme les couches du magma souterrain qu'elle étudie. Certains auteurs des hypothèses les plus brillantes sont les premiers à reconnaître qu'ils lancent des coups de sonde dans l'inconnu. « Ma théorie sur l'origine des montagnes, dit Harold Jeffreys, a au moins le mérite de n'être pas notoirement fausse, et elle restera la meilleure jusqu'au moment où l'on en trouvera une autre s'adoptant mieux aux faits connus ».
Et Harold Urey : « Je suis loin moi-même de croire aveuglément à la totalité ? de ma propre théorie, mais elle n'est pas absurde et il sera difficile de me prouver que j'ai complètement tort… ».

Le globe terrestre à la merci d'une explosion, la conclusion la plus probable de ces grands mouvements d'idées est que les conceptions nées au siècle dernier des théories évolutionnistes étaient insuffisantes ou erronées. Cuvier disait qu'il voyait une catastrophe écrite dans le moindre banc de rocher; mais on lui imposa silence au nom de Darwin pour qui l'Himalaya lui-même ne s'était soulevé que par une poussée imperceptible. Or, il semble aujourd'hui que le premier avait raison au moins autant que le second. Ou plutôt, sans doute, qu'ils avaient raison tous les deux.

L'histoire de la Terre a certainement pour tissu une longue transformation insensible, mais cette transformation insensible fut très probablement traversée à de nombreuses reprises par des événements soudains et dramatiques, par des accidents immenses, par des séismes prodigieux. Il n'est nullement certain que le globe terrestre roule dans l'espace depuis des temps colossaux sur son axe actuel et conformément aux conditions que nous connaissons tant bien que mal.

Le seul fait qu'une des planètes voisines de la Terre a été probablement détruite par une explosion suffit à nous mettre en garde contre la tentation de considérer notre petit globe comme un modèle de régularité, de pérennité et de bonne conduite. Il eut sûrement des aventures dans le passé. Comme il est encore très jeune, il en aura dans le futur.

Comparaison de la planète Terre avec Mars
  Terre Mars
Découverte parConnu par les anciensConnu par les anciens
Date de découverteInconnuInconnu
Distance moyenne d'orbite149.598.262 kilomètres227.943.824 kilomètres
Périhélie (le plus étroit)147.098.291 kilomètres206.655.215 kilomètres
Aphelion (le plus lointain)152.098.233 kilomètres249.232.432 kilomètres
Rayon équatorial6.371.00 kilomètres3.389.5 kilomètres
Circonférence équatoriale40.030.2 kilomètres21.344 kilomètres
Volume1.083.206.916.846 km3163.115.609.799 km3
La masse5.972.190.000.000.000.000.000.000 kilogrammes641.693.000.000.000.000.000.000 kilogrammes
Densité5.513 g/cm33.934 g/cm3
Superficie510.064.472 km2144.371.391 km2
Pesanteur extérieure équatoriale9.80665 m/s23.71 m/s2
Vitesse de libération40.284 km/h18.108 km/h
Période de rotation (la durée de jour)0.99726968 jour sidéral1.026 jour sidéral
Période d'orbite (la durée d'année)1.0000174 année sidérale1.8808476 année sidérale
Vitesse moyenne d'orbite107.218 km/h86.677 km/h
Excentricité d'orbite0.016711230.0933941
Inclination d'orbite à l'écliptique0.00005 degré1.85 degré
Inclination équatoriale d'orbiter23.4393 degrés25.2
Circonférence d'orbite939.887.974 kilomètres1.429.085.052 kilomètres
Minimum/température de surface maximum-88/58 (minimum/maximum) °C°C -87 à -5
Constituants atmosphériquesAzote, l'oxygèneAnhydride carbonique, azote, l'argon
Les trous noirs et la forme de l'espace
  • Les trous noirs et la forme de l'espace : par Jean-Pierre Luminet
  • Présentation & Introduction
  • Les 4 niveaux de la géométrie pour la réponse de la forme de l'espace
  • Développement de la théorie des trous noirs
  • La physique des trous noirs
  • La théorie du trou de ver
  • La forme de l'univers dans son ensemble
  • Conclusion
  • Questions

Texte de la 187e conférence de l’Université de tous les savoirs donnée le 5 juillet 2000.

Introduction

La question de la forme de l’espace me fascine depuis que, adolescent, j’ai ouvert une encyclopédie d’astronomie à la page traitant de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Il y était écrit que, dans la conception relativiste, l’espace-temps a la forme d’un mollusque. Cette image m’avait beaucoup intrigué, et depuis lors, je n’ai eu de cesse d’élucider les mystères implicitement attachés à ce « mollusque universel ». Lorsqu’ils contemplent un beau ciel nocturne, la plupart des gens n’ont d’yeux que pour le spectacle des étoiles, c’est-à-dire le contenu de l’univers. Or, on peut aussi s’émerveiller devant l’invisible contenant : l’espace n’est-il qu’un réceptacle vide et passif qui accueille les corps, ou bien peut-on lui attribuer une forme, une structure, une architecture ? Est-il plat, courbe, rugueux, lisse, cabossé, plissé, etc. ?

L’espace a-t-il une forme ?

Il est sans doute difficile à la plupart d’entre vous d’attribuer une forme à quelque chose d’aussi impalpable et d’abstrait que l’espace. Au cours des siècles, maintes conceptions philosophiques ont tenté de « donner chair » à l’espace en le considérant, par exemple, comme une substance éthérée qui, non seulement contient les corps matériels, mais aussi les imprègne et partage avec eux certaines de ses propriétés structurelles. Toutefois, pour le physicien, les questions sur la forme de l’espace ne sont pertinentes qu’en utilisant le langage des mathématiques, plus spécifiquement celui de la géométrie.

Quel est l’espace géométrique qui est susceptible de représenter l’espace physique ?

Le problème est plus compliqué qu’il ne semble à première vue. Certes, l’espace « immédiat » qui nous environne est correctement décrit par la géométrie euclidienne ordinaire. Mais l’espace microscopique (à très petite échelle) et l’espace cosmologique (à très grande échelle) en diffèrent profondément. À la question de la forme de l’espace, la physique actuelle donne donc des réponses différentes, selon quatre « niveaux » dépendant de l’échelle à laquelle on examine la structure de l’espace. Les niveaux « intermédiaires » 1 & 2 sont assez bien compris, les niveaux « extrêmes » 0 & 3 font l’objet de spéculations théoriques originales.

Niveau 1 : Géométrie (pseudo-) euclidienne

Champ d’application : mécanique classique, relativité restreinte, électrodynamique quantique

À l’échelle « locale », disons entre 10-18 centimètre (longueur actuellement accessible à l’expérimentation) et 1011 mètres (de l’ordre de la distance Terre - Soleil), la géométrie de l’espace physique se décrit très bien par celle de l’espace euclidien ordinaire. « Très bien » signifie que cette structure mathématique sert de cadre naturel aux théories physiques qui, comme la mécanique classique, la relativité restreinte et l’électrodynamique quantique, permettent d’expliquer correctement la quasi-totalité des phénomènes naturels. L’espace y est à trois dimensions, sans courbure. Dans la théorie relativiste, il est couplé au temps au sein d’une géométrie pseudo-euclidienne quadridimensionnelle plate, dite « espace-temps de Minkowski ».

Niveau 2 : Géométrie différentielle en espace (pseudo-) riemannien

Champ d’application : relativité générale, cosmologie

À l’échelle astronomique (système solaire, étoiles, galaxies, univers dans son ensemble), l’interaction dominante qui « sculpte » l’espace physique est la gravité. Celle-ci est décrite par la relativité générale, qui fait apparaître une structure non-euclidienne de l’espace-temps. La géométrie différentielle des variétés riemanniennes permet précisément de décrire de tels espaces courbes. Il y a de nombreuses modélisations possibles. Par exemple, à grande échelle, la courbure est relativement « douce » et uniforme. Les cosmologistes travaillent donc dans le cadre d’espaces à courbure constante. Au voisinage d’objets très compacts, la courbure peut au contraire varier fortement d’un point à l’autre. La géométrie de Schwarzschild est un exemple de modélisation de l’espace-temps physique autour d’un trou noir sphérique.

Niveau 0 : Géométrie multidimensionnelle, géométrie non-commutative, etc.

Champ d’application : théories d’unification, supercordes, gravité quantique

La description de l’espace à l’échelle microscopique (entre 10-33 centimètre et 10-18 centimètre) est liée au plus grand enjeu de la physique actuelle : l’unification des interactions fondamentales. Celle-ci tente de marier deux points de vue extrêmement différents : celui de la mécanique quantique, décrivant les interactions en termes de champs, et celui de la relativité, décrivant la gravité en termes de courbure.

Aucune théorie de « gravité quantique » satisfaisante n’a vu le jour, mais plusieurs scénarios sont étudiés. Dans tous les cas, les conceptions géométriques usuelles sur l’espace et le temps sont bouleversées. Par exemple, la théorie des supercordes introduit des dimensions spatiales supplémentaires ; la géométrie non-commutative décrit un espace-temps granulaire et « flou » ; la géométrodynamique quantique conçoit l’espace-temps comme un océan bouillonnant d’énergie, agité de « vagues » (les fluctuations quantiques du vide) et ponctué « d’écume » (les univers-bulles).

Niveau 4 : Topologie, espaces « chiffonnés »

Champ d’application : structure globale de l’Univers, topologie cosmique

La question de la forme globale de l’espace (à une échelle supérieure à 1025 mètres) pose des problèmes géométriques spécifiques ne relevant plus seulement de la courbure, mais de la topologie de l’espace-temps. Celle-ci n’est incorporée ni dans la relativité générale, ni dans les approches unificatrices de la physique des hautes énergies. Pour reprendre l’image pittoresque du « mollusque universel », il ne s’agit plus de savoir s’il possède des bosses ou des creux, mais de savoir s’il s’agit d’un escargot, d’une limace ou d’un calmar.

Une nouvelle discipline est née il y a quelques années : la topologie cosmique, qui applique aux modèles cosmologiques relativistes les découvertes mathématiques effectuées dans le domaine de la classification topologique des espaces.

La suite de la conférence s’attachera exclusivement à la description du niveau 2 dans le contexte des trous noirs, et du niveau 4 dans le contexte des modèles d’univers chiffonnés.

Les trous noirs

Un vieux conte persan dit :

« Un jour, les papillons tiennent une vaste assemblée parce qu’ils sont tourmentés par le mystère de la flamme. Chacun propose son idée sur la question. Le vieux sage qui préside l’assemblée dit qu’il n’a rien entendu de satisfaisant, et que le mieux à faire est d’aller voir de près ce qu’est la flamme.

Un premier papillon volontaire s’envole au château voisin et aperçoit la flamme d’une bougie derrière une fenêtre. Il revient très excité et raconte ce qu’il a vu. Le sage dit qu’il ne leur apprend pas grand chose.

Un deuxième papillon franchit la fenêtre et touche la flamme, se brûlant l’extrémité des ailes. Il revient et raconte son aventure. Le sage dit qu’il ne leur apprend rien de plus.

Un troisième papillon va au château et se consume dans la flamme. Le sage, qui a vu la scène de loin, dit que seul le papillon mort connaît le secret de la flamme, et qu’il n’y a rien d’autre à dire. »

Cette parabole préfigure le mystère des trous noirs. Ces objets célestes capturent la matière et la lumière sans espoir de retour : si un astronaute hardi s’aventurait dans un trou noir, il ne pourrait jamais en ressortir pour relater ses découvertes.

Les trous noirs sont des astres invisibles

Le concept d’astre invisible a été imaginé par deux astronomes de la fin du XVIIIe siècle, John Michell (1783) et Pierre de Laplace (1796). Dans le cadre de la théorie de l’attraction universelle élaborée par Newton, ils s’étaient interrogés sur la possibilité qu’il puisse exister dans l’univers des astres si massifs que la vitesse de libération à leur surface puisse dépasser la vitesse de la lumière. La vitesse de libération est la vitesse minimale avec laquelle il faut lancer un objet pour qu’il puisse échapper définitivement à l’attraction gravitationnelle d’un astre. Si elle dépasse la vitesse de la lumière, l’astre est nécessairement invisible, puisque même les rayons lumineux resteraient prisonniers de son champ de gravité.

Michell et Laplace avaient donc décrit le prototype de ce qu’on appellera beaucoup plus tard (en 1968) un « trou noir », dans le cadre d’une autre théorie de la gravitation (la relativité générale). Ils avaient cependant calculé les bons « ordres de grandeur » caractérisant l’état de trou noir. Un astre ayant la densité moyenne de l’eau (1g/cm3) et une masse de dix millions de fois celle du Soleil serait invisible. Un tel corps est aujourd’hui nommé « trou noir supermassif ». Les astronomes soupçonnent leur existence au centre de pratiquement toutes les galaxies (bien qu’ils ne soient pas constitués d’eau !). Plus communs encore seraient les « trous noirs stellaires », dont la masse est de l’ordre de quelques masses solaires et le rayon critique (dit rayon de Schwarzschild) d’une dizaine de kilomètres seulement. Pour transformer le Soleil en trou noir, il faudrait le réduire à une boule de 3 kilomètres de rayon ; quant à la Terre, il faudrait la compacter en une bille de 1 cm !

Les trous noirs sont des objets relativistes

La théorie des trous noirs ne s’est véritablement développée qu’au XXe siècle dans le cadre de la relativité générale. Selon la conception einsteinienne, l’espace, le temps et la matière sont couplés en une structure géométrique non-euclidienne compliquée. En termes simples, la matière-énergie confère, localement du moins, une forme à l’espace-temps. Ce dernier peut être vu comme une nouvelle entité qui est à la fois « élastique », en ce sens que les corps massifs engendrent localement de la courbure, et « dynamique », c’est-à-dire que cette structure évolue au cours du temps, au gré des mouvements des corps massifs. Par exemple, tout corps massif engendre autour de lui, dans le tissu élastique de l’espace-temps, une courbure ; si le corps se déplace, la courbure se déplace avec lui et fait vibrer l’espace-temps sous formes d’ondulations appelées ondes gravitationnelles.

La courbure de l’espace-temps peut se visualiser par les trajectoires des rayons lumineux et des particules « libres ». Celles-ci épousent naturellement la forme incurvée de l’espace. Par exemple, si les planètes tournent autour du Soleil, ce n’est pas parce qu’elles sont soumises à une force d’attraction universelle, comme le voulait la physique newtonienne, mais parce qu’elles suivent la « pente naturelle » de l’espace-temps qui est courbé au voisinage du Soleil. En relativité, la gravité n’est pas une force, c’est une manifestation de la courbure de l’espace-temps. C’est donc elle qui sculpte la forme locale de l’univers.

Les équations d’Einstein indiquent comment le degré de courbure de l’espace-temps dépend de la concentration de matière (au sens large du terme, c’est-à-dire incluant toutes les formes d’énergie). Les trous noirs sont la conséquence logique de ce couplage entre matière et géométrie. Le trou noir rassemble tellement d’énergie dans un région confinée de l’univers qu’il creuse un véritable « puits » dans le tissu élastique de l’espace-temps. Toute particule, tout rayon lumineux pénétrant dans une zone critique définie par le bord (immatériel) du puits, sont irrémédiablement capturés.

Comment les trous noirs peuvent-ils se former ?

Les modèles d’évolution stellaire, développés tout au long du XXe siècle, conduisent à un schéma général de l’évolution des étoiles en fonction de leur masse. Le destin final d’un étoile est toujours l’effondrement gravitationnel de son cœur (conduisant à un « cadavre stellaire »), accompagné de l’expulsion de ses couches externes. Il y a trois types de cadavres stellaires possibles :

- La plupart des étoiles (90 %) finissent en « naines blanches », des corps de la taille de la Terre mais un million de fois plus denses, constituées essentiellement de carbone dégénéré. Ce sera le cas du Soleil.

- Les étoiles dix fois plus massives que le Soleil (9,9 %) explosent en supernova. Leur cœur se contracte en une boule de 15 km de rayon, une « étoile à neutrons » à la densité fabuleuse. Elles sont détectables sous la forme de pulsars, objets fortement magnétisés et en rotation rapide dont la luminosité radio varie périodiquement.

- Enfin, si l’étoile est initialement 30 fois plus massive que le Soleil, son noyau est condamné à s’effondrer sans limite pour former un trou noir. On sait en effet qu’une étoile à neutrons ne peut pas dépasser une masse critique d’environ 3 masses solaires. Les étoiles très massives sont extrêmement rares : une sur mille en moyenne. Comme notre galaxie abrite environ cent milliards d’étoiles, on peut s’attendre à ce qu’elle forme une dizaine de millions de trous noirs stellaires.

Quant aux trous noirs supermassifs, ils peuvent résulter, soit de l’effondrement gravitationnel d’un amas d’étoiles tout entier, soit de la croissance d’un trou noir « germe » de masse initialement modeste.

Comment détecter les trous noirs ?

Certains trous noirs peuvent être détectés indirectement s’ils ne sont pas isolés, et s’ils absorbent de la matière en quantité suffisante. Par exemple, un trou noir faisant partie d’un couple stellaire aspire l’enveloppe gazeuse de son étoile compagne. Avant de disparaître, le gaz est chauffé violemment, et il émet une luminosité caractéristique dans la gamme des rayonnements à haute énergie. Des télescopes à rayons X embarqués sur satellite recherchent de tels trous noirs stellaires dans les systèmes d’étoiles doubles à luminosité X fortement variable. Il existe dans notre seule galaxie une douzaine de tels « candidats » trous noirs.

L’observation astronomique nous indique aussi que les trous noirs supermassifs existent vraisemblablement au centre de nombreuses galaxies - dont la nôtre. Le modèle du « trou noir galactique » explique en particulier la luminosité extraordinaire qui est libérée par les galaxies dites « à noyau actif », dont les plus spectaculaires sont les quasars, objets intrinsèquement si lumineux qu’ils permettent de sonder les confins de l’espace.

En 1979, mon premier travail de recherche a consisté à reconstituer numériquement l’apparence d’un trou noir entouré d’un disque de gaz chaud. Les distorsions de l’espace-temps au voisinage du trou noir sont si grandes que les rayons lumineux épousent des trajectoires fortement incurvées permettant, par exemple, d’observer simultanément le dessus et le dessous du disque. J’ai ensuite étudié la façon dont une étoile qui frôle un trou noir géant est brisée par les forces de marée. L’étirement de l’espace est tel que, en quelques secondes, l’étoile est violemment aplatie sous la forme d’une « crêpe flambée ». Les débris de l’étoile peuvent ensuite alimenter une structure gazeuse autour du trou noir et libérer de l’énergie sur le long terme. Ce phénomène de crêpe stellaire, mis en évidence par les calculs numériques, n’a pas encore été observé, mais il fournit une explication plausible au mode d’alimentation des galaxies à noyau actif.

La physique externe des trous noirs

La théorie des trous noirs s’est essentiellement développée dans les années 1960-70. Le trou noir, comme tous les objets, tourne sur lui-même. On peut l’envisager comme un « maelström cosmique » qui entraîne l’espace-temps dans sa rotation. Comme dans un tourbillon marin, si un vaisseau spatial s’approche trop près, il commence par être irrésistiblement entraîné dans le sens de rotation et, s’il franchit une zone critique de non-retour, il tombe inéluctablement au fond du vortex.

Le temps est également distordu dans les parages du trou noir. Le temps « apparent », mesuré par toute horloge extérieure, se ralentit indéfiniment, tandis que le temps « propre », mesuré par une horloge en chute libre, n’égrène que quelques secondes avant d’être anéantie au fond du trou. Si un astronaute était filmé dans sa chute vers un trou noir, personne ne le verrait jamais atteindre la surface ; les images se figeraient à jamais à l’instant où l’astronaute semblerait atteindre la frontière du trou noir. Or, selon sa propre montre, l’astronaute serait bel et bien avalé par le trou en quelques instants.

Le théorème capital sur la physique des trous noirs se formule de façon pittoresque : « un trou noir n’a pas de poils. » Il signifie que, lorsque de la matière-énergie disparaît à l’intérieur d’un trou noir, toutes les propriétés de la matière telles que couleur, forme, constitution, etc., s’évanouissent, seules subsistent trois caractéristiques : la masse, le moment angulaire et la charge électrique. Le trou noir à l’équilibre est donc l’objet le plus « simple » de toute la physique, car il est entièrement déterminé par la donnée de ces trois paramètres. Du coup, toutes les solutions exactes de la théorie de la relativité générale décrivant la structure de l’espace-temps engendré par un trou noir sont connues et étudiées intensivement.

Par sa nature même, un trou noir est inéluctablement voué à grandir. Cependant, la théorie a connu un rebondissement intéressant au début des années 1980, lorsque Stephen Hawking a découvert que les trous noirs « microscopiques » (hypothétiquement formés lors du big-bang) se comporteraient à l’inverse des gros trous noirs. Régis par la physique quantique et non plus seulement par la physique gravitationnelle, ces micro-trous noirs ayant la taille d’une particule élémentaire mais la masse d’une montagne s’évaporeraient car ils seraient fondamentalement instables. Ce phénomène « d’évaporation quantique » suscite encore beaucoup d’interrogations. Aucun micro-trou noir n’a été détecté, mais leur étude théorique permet de tisser des liens entre la gravité et la physique quantique. Des modèles récents suggèrent que le résultat de l’évaporation d’un trou noir ne serait pas une singularité ponctuelle « nue », mais une corde – objet théorique déjà invoqué par des théories d’unification des interactions fondamentales.

L’intérieur des trous noirs

Le puits creusé par le trou noir dans le tissu élastique de l’espace-temps est-il « pincé » par un nœud de courbure infinie – auquel cas toute la matière qui tomberait dans le trou noir se tasserait indéfiniment dans une singularité ? Ou bien le fond du trou noir est-il « ouvert » vers d’autres régions de l’espace-temps par des sortes de tunnels ? Cette deuxième possibilité, apparemment extravagante, est suggérée par certaines solutions mathématiques de la relativité. Un trou de ver serait une structure topologique exotique ressemblant à une « poignée d’espace-temps » qui relierait deux régions de l’univers, dont l’une serait un trou noir et l’autre un « trou blanc ». Ces raccourcis d’espace-temps, qui permettraient de parcourir en quelques fractions de seconde des millions d’années lumière sans jamais dépasser la vitesse de la lumière, ont fasciné les physiciens tout autant que les écrivains de science-fiction. Des études plus détaillées montrent que de tels trous de ver ne peuvent pas se former dans l’effondrement gravitationnel d’une étoile : aussitôt constitués, ils seraient détruits et bouchés avant qu’aucune particule n’ait le temps de les traverser. Des modèles suggèrent que les trous de ver pourraient cependant exister à l’échelle microscopique. En fait, la structure la plus intime de l’espace-temps pourrait être constituée d’une mousse perpétuellement changeante de micro-trous noirs, micro-trous blancs et mini-trous de ver, traversés de façon fugace par des particules élémentaires pouvant éventuellement remonter le cours du temps !

La forme globale de l’univers

À l'échelle de la cosmologie, le « tissu élastique » de l’espace-temps doit être conçu comme chargé d’un grand nombre de billes - étoiles, galaxies, amas de galaxies - réparties de façon plus ou moins homogène et uniforme. La courbure engendrée par la distribution des corps est donc elle-même uniforme, c’est-à-dire constante dans l’espace. En outre, la distribution et le mouvement de la matière universelle confèrent à l’espace-temps une dynamique globale : l’univers est en expansion ou en contraction.

La cosmologie relativiste consiste à rechercher des solutions exactes de la relativité susceptibles de décrire la structure et l’évolution de l’univers à grande échelle. Les modèles à courbure spatiale constante ont été découverts par Alexandre Friedmann et Georges Lemaître dans les années 1920. Ces modèles se distinguent par leur courbure spatiale et par leur dynamique.

Dans la version la plus simple :

- Espace de courbure positive (type sphérique)

L’espace, de volume fini (bien que dans frontières), se dilate initialement à partir d’une singularité (le fameux « big-bang »), atteint un rayon maximal, puis se contracte pour s’achever dans un « big-crunch ». La durée de vie typique d’un tel modèle d’univers est une centaine de milliards d’années.

- Espace de courbure nulle (type euclidien) ou négative (type hyperbolique)

Dans les deux cas, l’expansion de l’univers se poursuit à jamais à partir d’un big-bang initial, le taux d’expansion se ralentissant toutefois au cours du temps.

La dynamique ci-dessus est complètement modifiée si un terme appelé « constante cosmologique » est ajouté aux équations relativistes. Ce terme a pour effet d’accélérer le taux d’expansion, de sorte que même un espace de type sphérique peut être « ouvert » (c’est-à-dire en expansion perpétuelle) s’il possède une constante cosmologique suffisamment grande. Des observations récentes suggèrent que l’espace cosmique est proche d’être euclidien (de sorte que l’alternative sphérique / hyperbolique n’est nullement tranchée !), mais qu’il est en expansion accélérée, ce qui tend à réhabiliter la constante cosmologique (sous une forme associée à l’énergie du vide).

Je ne développerai pas davantage la question, car elle figure au programme de la 186e conférence de l’Utls donnée par Marc Lachièze-Rey.

Quelle est la différence entre courbure et topologie ?

Avec la cosmologie relativiste, disposons-nous d’une description de la forme de l’espace à grande échelle ? On pourrait le croire à première vue, mais il n’en est rien. Même la question de la finitude ou de l’infinitude de l’espace (plus grossière que celle concernant sa forme) n’est pas clairement tranchée. En effet, si la géométrie sphérique n’implique que des espaces de volume fini (comme l’hypersphère), les géométries euclidienne et hyperbolique sont compatibles tout autant avec des espaces finis qu’avec des espaces infinis. Seule la topologie, cette branche de la géométrie qui traite de certaines formes invariantes des espaces, donne des informations supplémentaires sur la structure globale de l’espace - informations que la courbure (donc la relativité générale) ne saurait à elle seule fournir.

Pour s’assurer qu’un espace est localement euclidien (de courbure nulle), il suffit de vérifier que la somme des angles d’un triangle quelconque fait bien 180° - ou, ce qui revient au même, de vérifier le théorème de Pythagore. Si cette somme est supérieure à 180°, l’espace est localement sphérique (courbé positivement), et si cette somme est inférieure à 180°, l’espace est localement hyperbolique (courbé négativement).

Cependant, un espace euclidien n’est pas nécessairement aussi simple que ce que l’on pourrait croire. Par exemple, une surface euclidienne (à deux dimensions, donc) n’est pas nécessairement le plan. Il suffit de découper une bande dans le plan et d’en coller les extrémités pour obtenir un cylindre. Or, à la surface du cylindre, le théorème de Pythagore est tout autant vérifié que dans le plan d’origine. Le cylindre est donc une surface euclidienne de courbure strictement nulle, même si sa représentation dans l’espace (fictif) de visualisation présente une courbure « extrinsèque ». Bien qu’euclidien, le cylindre présente une différence fondamentale d’avec le plan : il est fini dans une direction. C’est ce type de propriété qui relève de la topologie, et non pas de la courbure. En découpant le plan et en le recollant selon certains points, nous n’avons pas changé sa forme locale (sa courbure) mais nous avons changé radicalement sa forme globale (sa topologie). Nous pouvons aller plus loin en découpant le cylindre en un tube de longueur finie, et en collant les deux extrémités circulaires. Nous obtenons un tore plat, c’est-à-dire une surface euclidienne sans courbure, mais fermée dans toutes les directions (de superficie finie). Une bactérie vivant à la surface d’un tore plat ne ferait pas la différence avec le plan ordinaire, à moins de se déplacer et de faire un tour complet du tore. À trois dimensions, il est possible de se livrer à ce même genre d’opérations. En partant d’un cube de l'espace euclidien ordinaire, et en identifiant deux à deux ses faces opposées, on crée un « hypertore », espace localement euclidien de volume fini.

Les espaces chiffonnés

Du point de vue topologique, le plan et l’espace euclidien ordinaire sont monoconnexes, le cylindre, le tore et l’hypertore sont multiconnexes. Dans un espace monoconnexe, deux points quelconques sont joints par une seule géodésique (l’équivalent d'une droite en espace courbe), tandis que dans un espace multiconnexe, une infinité de géodésiques joignent deux points. Cette propriété confère aux espaces multiconnexes un intérêt exceptionnel en cosmologie. En effet, les rayons lumineux suivent les géodésiques de l'espace-temps. Lorsqu’on observe une galaxie lointaine, nous avons coutume de croire que nous la voyons en un unique exemplaire, dans une direction donnée et à une distance donnée. Or, si l’espace cosmique est multiconnexe, il y a démultiplication des trajets des rayons lumineux, donnant des images multiples de la galaxie observée. Comme toute notre perception de l'espace provient de l’analyse des trajectoires des rayons lumineux, si nous vivions dans un espace multiconnexe nous serions plongés dans une vaste illusion d’optique nous faisant paraître l’univers plus vaste que ce qu’il n'est; des galaxies lointaines que nous croirions « originales » seraient en réalités des images multiples d’une seule galaxie, plus proche dans l'espace et dans le temps.

Figure : Un univers très simple à deux dimensions illustre comment un observateur situé dans la galaxie A (sombre) peut voir des images multiples de la galaxie B (claire). Ce modèle d’univers, appelé tore, est construit à partir d’un carré dont on a « recollé » les bords opposés : tout ce qui sort d’un côté réapparaît immédiatement sur le côté opposé, au point correspondant. La lumière de la galaxie B peut atteindre la galaxie A selon plusieurs trajets, de sorte que l’observateur dans la galaxie A voit les images de la galaxie B lui parvenir de plusieurs directions. Bien que l’espace du tore soit fini, un être qui y vit a l’illusion de voir un espace, sinon infini (en pratique, des horizons limitent la vue), du moins plus grand que ce qu’il n’est en réalité. Cet espace fictif a l’aspect d’un réseau construit à partir d’une cellule fondamentale, qui répète indéfiniment chacun des objets de la cellule.

Les modèles d’ univers chiffonné permettent de construire des solutions cosmologiques qui, quelle que soit leur courbure, peuvent être finies ou infinies, et décrites par des formes (topologies) d’une grande subtilité. Ces modèles peuvent parfaitement être utilisés pour décrire la forme de l’espace à très grande échelle. Un espace chiffonné est un espace multiconnexe de volume fini, de taille est plus petite que l’univers observé (dont le rayon apparent est d’environ 15 milliards d’années-lumière).

Les espaces chiffonnés créent un mirage topologique qui démultiplie les images des sources lumineuses. Certains mirages cosmologiques sont déjà bien connus des astronomes sous le nom de mirages gravitationnels. Dans ce cas, la courbure de l’espace au voisinage d'un corps massif situé sur la ligne de visée d’un objet plus lointain, démultiplie les trajets des rayons lumineux provenant de l'arrière-plan. Nous percevons donc des images fantômes regroupées dans la direction du corps intermédiaire appelé « lentille ». Ce type de mirage est dû à la courbure locale de l’espace autour de la lentille.

Dans le cas du mirage topologique, ce n’est pas un corps particulier qui déforme l’espace, c’est l’espace lui-même qui joue le rôle de la lentille. En conséquence, les images fantômes sont réparties dans toutes les directions de l'espace et toutes les tranches du passé. Ce mirage global nous permettrait de voir les objets non seulement sous toutes leurs orientations possibles, mais également à toutes les phases de leur évolution.

Tests observationnels de l'univers chiffonnés

Si l’espace est chiffonné, il l’est de façon subtile et à très grande échelle, sinon nous aurions déjà identifié des images fantômes de notre propre galaxie ou d'autres structures bien connues. Or, ce n’est pas le cas. Comment détecter la topologie de l’univers? Deux méthodes d’analyse statistique ont été développées récemment. L’une, la cristallographie cosmique, tente de repérer certaines répétitions dans la distribution des objets lointains. L’autre étudie la distribution des fluctuations de température du rayonnement fossile. Ce vestige refroidi du big-bang permettrait, si l’espace est chiffonné, de mettre en évidence des corrélations particulières prenant l’aspect de paires de cercles le long desquels les variations de température cosmique d’un point à l’autre seraient les mêmes.

Les projets expérimentaux de cristallographie cosmique et de détection de paires de cercles corrélés sont en cours. Pour l’instant, la profondeur et la résolution des observations ne sont pas suffisantes pour tirer des conclusions sur la topologie globale de l’espace. Mais les prochaines années ouvrent des perspectives fascinantes ; elles livreront à la fois des sondages profonds recensant un très grand nombre d’amas lointains de galaxies et de quasars, et des mesures à haute résolution angulaire du rayonnement fossile. Nous saurons peut-être alors attribuer une forme à l'espace.

Bibliographie

Jean-Pierre Luminet, Les trous noirs, Le Seuil / Points Sciences, 1992.

Jean-Pierre Luminet, L’univers chiffonné, Fayard, 2001.

  • Regards vers le cosmos
    Cette séance vous invite à un voyage dans le temps, vous présente une véritable fresque des représentations que l’Homme s’est faites de l’Univers. Des civilisations anciennes aux observations modernes, le spectacle se poursuit en présentant l’Univers tel que nous le décrivons aujourd’hui.
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  • Le ciel et la mesure du temps
    Cette séance permet de percevoir le lien très étroit qui existe entre l’observation des rythmes réguliers du ciel et l’établissement des calendriers.
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Introduction au Photo journal

Le Photo journal est votre interface aux archives planétaires d'image (PIA) contenues dans le noeud planétaire de formation image de système de données. Le graphique de page d'accueil sert de point d'entrée à niveau élevé aux milliers d'images à haute résolution et de leurs produits de accompagnement qui ont été rendus disponibles au public à partir des données renvoyées par de diverses missions de JPL au cours de beaucoup d'années. L'accès aux ces des images passionnantes et souvent spectaculaires est seulement un clic loin.

Si vous voudriez explorer notre voisin dans l'espace, la planète rouge merveilleuse Mars, de loin ou se lever étroitement ou dans le détail microscopique, cliquez simplement dessus l'image de Mars.

Si vous aimez des images des nébuleuses spectaculaires, des étoiles de mort, ou des disques de planète-formation de potentiel, cliquez n'importe où dans l'univers en spirale.

Apprécier les images ahurissantes le géant, de planète baguée et de ses nombreuses lunes, en cliquant sur Saturne. Cliquez dessus la comète près de petits corps et voir comment la sonde synthétique fonder sa destination définitive en se brisant dans une comète.

Quand vous cliquez dessus n'importe quelle partie du graphique, vous liez réellement à une galerie d'image qui est une catégorie dans la base de données de Photo journal où nous avons placé comme des images. Toutes les images de Mars, par exemple, indépendamment de la mission et/ou du vaisseau spatial, sont rassemblées en galerie de Mars. De même, toutes les images de la terre sont trouvées dans la galerie de la terre. Pour une liste de toutes les galeries disponibles, cliquez dessus choisi une galerie d'image, située dans la partie droite supérieure de la bannière sur n'importe quelle page de Photo journal.

Après que vous ayez fait votre choix, vous serez présenté avec une liste des images d'ongle du pouce et de leurs titres. Cliquez dessus l'ongle du pouce de votre choix et vous verrez un catalogue paginer qui inclura une légende de détail scientifique au sujet de ce que vous voyez, et des informations sur la mission, le vaisseau spatial et les instruments, et les équipes consacrées de mission qui ont rendu l'image possible. Nous avons également fourni à une barre de navigation bleue directement sous le graphique des liens plus utiles pour votre lecture. Notre FAQ peut apporter des réponses à quelques questions initiales.

Pendant que de nouvelles images sont ajoutées au pia quotidiennement, nous t'avons fournis une manière rapide de trouver ces nouvelles additions. Cliquez simplement dessus les plus défuntes images de mots à l'extrémité d'extrême gauche de la barre de navigation bleue trouvée en bas de n'importe quelle page. Quand choisi, ce lien vous présentera avec toutes les images et leurs produits auxiliaires qui ont été libérés pendant les sept jours précédents.

Nous fournissons également un certain nombre de mécanismes de recherche pour vous aider avec des recherches détaillée vaisseau spatial. En plus des images photographiques vous avez pu avoir vu en magasins ou les émissions de télévision, les données réelles employées pour créer ces images sont également disponibles par l'intermédiaire du Photo journal (voir les ensembles de données primaires trouvés à la page de catalogue dans la légende à la droite de l'image).

Tandis que le centre du Photo journal est principalement sur les systèmes planétaires, nous avons augmenté notre vision pour inclure des images créées par la visualisation technologique tranchante et les outils à traitement d'images de JPL, et images au sujet du vaisseau spatial et des instruments responsables des données employées pour créer les images, certains dont peut être regardé dans notre galerie de vaisseau spatial et de technologie.

Également décrits sur la barre de navigation bleue en bas de chaque page sont des liens aux animations spectaculaires, et un lien aux liens relatifs où vous pouvez trouver le Conseil exécutif de JPL, le papier peint de JPL, et la page de multimédia de JPL. Bien que nous ayons essayé de rendre le Photo journal facile et intuitif pour employer, nous identifions que beaucoup de questions demeureront. Si vous êtes jamais confondu au sujet de la façon employer ce système, svp n'hésitent pas à nous envoyer un email.

La seule chose qui pourrait être exigée en employant le Photo journal est la patience. Habituellement, le système fonctionne rapidement. Cependant, en raison de la nature distribuée des données et de la quantité du trafic sur ce site Web, de quelques questions et d'actions peut prendre un peu plus longtemps. Le système est conçu pour être employé comme manière rapide de trouver un produit particulier d'image, mais peut également utilisé en tant que navigateur d'image aussi bien. Si vous souhaitez balayer simplement par les images disponibles, vous pouvez faire ainsi. Si cette page d'introduction n'a pas été claire, svp nous aider à vous aider en envoyant vos commentaires. En attendant, nous vous encourageons à explorer et apprécier le Photo journal.

Photojournal: NASA's Image Access Home Page publicly released images from various, Solar System exploration programs…
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Pluto Neptune Uranus Saturn Mars Jupiter Terre - Earth Venus Small Bodies Universe Click here for images of the Sun


Venus

Vénus est la planète qui ressemble le plus à la terre par sa taille, sa masse, sa densité moyenne et par la quantité d'énergie solaire absorbe. Vénus est très dense, 100 fois plus dense que l'atmosphère terrestre, elle contient 97% de gaz carbonique CO². La surface de la planète est rocheuse, dépourvue l'eau (l'atmosphère referme à peine 0,4% de vapeur d'eau). La température est très élève plus de 450°C aussi bien le jour que la nuit. La pression atmosphérique sur la surface est 90 fois plus élève que sur la Terre.

Mars

Mars est un monde sec et désert, en dépit de quelques signes que l'eau a pu avoir coulé librement à travers sa surface. Mais où l'eau a-t-il disparu ? Mars ressemble beaucoup à la Terre bien qu'a première vue similitude ne soit pas flagrante. Le diamètre de Mars est deux fois plus petit que celui de la Terre. La longueur d'une journée sur Mars équivaut pratiquement à celle d'un jour terrestre, les saisons y alternent mais leur durée est deux fois plus longue que sur la Terre. La température sur Mars est relativement basse: elle peut atteindre 0°C, mais les températures diurnes se situent toutefois autour de -30°C. L'atmosphère de Mars n'est pas dense, elle contient 95% de gaz carbonique, 2% d'azote, 1 à 2% d'argon et de gaz divers ainsi que de l'oxygène et de la vapeur d'eau. Toutes ces particularités ainsi que les modifications intervenant sur cette planète ont longtemps laisse supposer que la vie existait sur Mars, sinon les martiens du moins des micro-organismes.

Jupiter

La plus grosse des planètes a un volume mille fois supérieur à celui de la Terre, elle est plus massive que toutes les planètes réunies. Jupiter elle est essentiellement constituée par une atmosphère contenant de l'hydrogène, de l'hélium additionné de méthane, d'ammoniac et d'autres composés. Vers le centre de Jupiter la température et la pression augmentent, l'atmosphère s'épaissit, ses propriétés se modifient. A 50000 km de profondeur la pression est si forte que l'hydrogène acquiert les propriétés des métaux. La rotation rapide du corps (il accompli une rotation sur son axe en moins de dix heures) qui provoque un aplatissement polaire très marque de la planète.

La température est de -140°C dans les couches nuageuses inférieures. La vitesse des courants sur Jupiter est supérieure à celle des ouragans sur la Terre. L'apport d'énergie thermique indispensable au brassage de l'atmosphère provient en grande partie du centre du corps et non pas du Soleil. Jupiter ne s'est pas encore refroidi depuis sa formation, son noyau est très chaud et produit de l'énergie thermique qui réchauffe l'atmosphère par le bas. Jupiter est le seigneur des planètes, son pouvoir s'exerce jusque dans les profondeurs du système solaire. Il est dote d'un puissant champ gravitationnel et magnétique : sa magnétosphère atteindrait même l'orbite de Saturne.


Cette vue simulée par couleur de Jupiter se compose de 4 images prises en vaisseau spatial de Cassini de la NASA le 7 décembre 2000. Pour illustrer Jupiter à ce quel aurait ressemblé si les appareils-photo avaient un champ visuel assez grand pour capturer la planète entière, la carte cylindrique a été projetée sur un globe. La résolution est environ 144 kilomètres (89 milles) par Pixel. L'Europa de la lune de Jupiter moule l'ombre sur la planète. Cassini est une mission coopérative de la NASA, de l'agence spatiale européenne et de l'agence spatiale italienne. JPL, une division de l'Institut de Technologie de la Californie à Pasadena, contrôle Cassini pour le bureau de la NASA de la Science d'espace, Washington, C.C
Crédit : NASA/JPL/University de l'Arizona.

Comparaison de la planète Jupiter avec la Terre
  Jupiter La terre
Découverte parConnu par les anciensConnu par les anciens
Date de découverteInconnuInconnu
Distance moyenne d'orbite778.340.821 kilomètres149.598.262 kilomètres
Périhélie (le plus étroit)740.679.835 kilomètres147.098.291 kilomètres
Aphelion (le plus lointain)816.001.807 kilomètres152.098.233 kilomètres
Rayon équatorial 69.911 kilomètres 6.371.00 kilomètres
Circonférence équatoriale 439.263.8 kilomètres 40.030.2 kilomètres
Volume 1.431.281.810.739.360 km3 1.083.206.916.846 km3
La masse 1.898.130.000.000.000.000.000.000.000 kilogrammes 5.972.190.000.000.000.000.000.000 kilogrammes
Densité 1.326 g/cm3 5.513 g/cm3
Superficie 61.418.738.571 km2 510.064.472 km2
Pesanteur extérieure équatoriale 24.79 m/s2 9.80665 m/s2
Vitesse de libération 216.720 km/h 40.284 km/h
Période de rotation (la durée de jour) 0.41354 jour sidéral 0.99726968 jour sidéral
Période d'orbite (la durée d'année) 11.862615 années sidérales 1.0000174 année sidérale
Vitesse moyenne d'orbite 47.002 km/h 107.218 km/h
Excentricité d'orbite 0.04838624 0.01671123
Inclination d'orbite à l'écliptique 1.304 degré 0.00005 degré
Inclination équatoriale d'orbiter 3.1 degrés 23.4393 degrés
Circonférence d'orbite 4.887.595.931 kilomètres 939.887.974 kilomètres
Constituants atmosphériques Hydrogène, hélium Azote, l'oxygène
Saturne

Appartient aux planètes géantes, elle présente de nombreuses similitudes avec Jupiter. C'est en grande partie un corps gazeux, constitué essentiellement d'hydrogène, ce dont témoigne sa densité moyenne (0,69g/cm3), la plus Basse de toutes les planètes. Comme celle de Jupiter, l'atmosphère saturnienne contient également des impuretés. Saturne présente un aplatissement très évident aux pôles dû à une rotation rapide (elle effectue une rotation complète en 10 heures 40 minutes). Le diamètre équatorial atteint 120660 km, le diamètre polaire n'est que de 98000 km.

La température est basse sur Saturne : -150°C à la surface des nuages. La planète produit deux fois plus d'énergie thermique qu'elle n'en reçoit du soleil (Jupiter en produit 50%). Cette importante autoproduction d'énergie peut provoquer des courants forts descendants et un brassage très efficace de l'atmosphère. L'impressionnante vitesse du courant, observe dans la région équatoriale de Saturne, pourrait en dépendre.

Saturne est la planète dotée du plus important système de satellites et d'anneaux. Titan: c'est le plus grand des satellites saturniens (diamètre : 5150 km). Il est l'unique satellite au sein du système solaire à posséder une atmosphère dense, saturée de nuages non transparents atteignant 200 km d'altitude qui masquent la surface du corps. Titan est un corps entièrement refroidi, contenant en grade partie de l'eau (glace), sa densité moyenne ne s'élève pas au-dessus de 1,9 g/cm3. Son atmosphère est composée essentiellement d'azote et contient environ 1% de méthane. La température de surface serait de -180° C. la pression atmosphérique est une fois et demi plus importante que sur la Terre.

Uranus

La planète Uranus a été découverte en 1781 par W. Herschel. Elle a été observée de prés pour la première fois par la sonde Voyager 2 en 1986.
C'est une planète géante, d'un diamètre quatre fois supérieur à celui de la terre. Distance moyenne du Soleil à Uranus (2875,0) 106.

Elle possède également une atmosphère très épaisse (environ 11000 km) composée d'hydrogène, de 12% d'hélium avec des traces de méthane et d'autres Hydrocarbures. La température à la surface des nuages serait de -210°C. La rotation de cette planète est tout à fait exceptionnelle: son axe de rotation se situe presque sur le plan de son orbite. Sa période de rotation est de 17 heures environ. La position de l'axe magnétique d'Uranus est encore plus étrange, il est incline à 55° de l'axe de rotation. Uranus est dote d'un champ magnétique très puissant, et entoure par neuf anneaux étroits situes entre 42000 et 51000 km de la planète. Voyager 2 apus découvrir un dixième anneau. Uranus ressemble à un disque bleu-vert sans détails frappants.

Les satellites d'Uranus sont constitues en proportion égale de glace et de roches. La chaleur radioactive et le comportement de la glace dans des conditions physiques inhabituelles auraient pu jour un rôle important dans les processus géologiques. Parmi tous les satellites d'Uranus, seul les cinq plus grands sont observables depuis la Terre avec de très grand télescopes, ils ressemblent qu'a de petites étoiles. Miranda (diamètre : 480 km), Ariel (diamètre : 1160 km), Umbriel (diamètre : 1190 km), Titania (diamètre : 1590 km) et Oberon (diamètre : 1550 km).

Neptune

La huitième et dernière planète du système solaire est la plus lointaine des planètes géantes. Elle fut découverte le 18 septembre 1846 par l'astronome Allemand Johann Gottfried Galle (1812-1910), à partir des calculs du Français Urbain Le Verrier basés sur les perturbations de l'orbite d'Uranus.

Neptune parcourt en 164 ans et 281 jours une orbite quasi circulaire, inclinée de 1°46' par rapport au plan de l'écliptique. Sa distance au Soleil est de 4 445 300 000 km au périhélie (point le plus proche) et de 4 531 500 000 km à l'aphélie (point le plus éloigné), soit en moyenne 30 fois la distance Terre aù Soleil.

Son diamètre atteint 50 000 km (4 fois le diamètre terrestre), sa densité moyenne est de 1,6 et sa période de rotation sur elle-même est d'environ 16 heures. Elle possède une grande tache bleue, en fait un anticyclone, située à 20° au sud de l'équateur. La tache fait environ la taille de la Terre et tourne autour de la planète en 16 jours. Son survol par la sonde Voyager 2 en août 1989 révéla que la Grande tache bleue est constituée d'un noyau dense, riche en fer, entouré d'un manteau de glace, et enveloppée d'une épaisse atmosphère composée d'hydrogène, d'hélium et de méthane, ce dernier donnant la couleur bleue à la planète.

Pluton

Le Système Solaire

Animation interactive du système Solaire

Le Système Solaire.
Pendant des millions d'années, l'espace est resté hors de portée des hommes, cloués au sol sur leur planète. Comme tout objet inaccessible, il fait rêver et donne lieu à de nombreuses interprétations. Des siècles durant, on a d'ailleurs cru que le ciel était la résidence des dieux, reposant dans la béatitude éternelle. Les hommes ont voulu en avoir le cœur net et sont allés sur place. Ils n'y ont pas trouvé de présence divine, mais plutôt un endroit étrange, sans air, ni bruit, ni odeur. Un paradoxe de la nature caractérisé par l'absence et pourtant si hostile : il est tantôt le monde du silence, tantôt le théâtre de gigantesques déluges énergétiques.
Une énergie du vide, que les scientifiques ont bien du mal à cerner, bousculant à plaisir notre perception usuelle du monde…

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Les profondeurs de l'Univers recèlent une quantité insoupçonnée de corps célestes. Comment ne pas s'interroger sur la nature de l'Univers dans lequel nous sommes plongés, sur sa structure et sur la place qu'y occupe la Terre ? Déjà à une époque d'ignorance complète nos ancêtres reconnaissaient trois catégories de corps célestes : Le Soleil, la Lune et les étoiles.

En observant plus minutieusement la voûte céleste, ils identifièrent un quatrième type, il s'agissait de cinq étoiles brillantes qui semblaient errer dans Le ciel : Mercure, Venus, Mars, Jupiter et Saturne. Leur mouvement extrêmement complexe ne ressemblait en rien à celui des autres étoiles. Une fois ce mouvement de chiffré, il s'avéra que non seulement ces corps, mais également la Terre, étaient des planètes qui gravitaient autour du Soleil. Maintenant nous savons que le système Solaire dans son ensemble il comprend une étoile, neuf planètes et une infinité de petits corps célestes. Seul le Soleil émet sa propre énergie, Il produit, la lumière et la chaleur indispensables à la vie.

Il est difficile de s'imaginer que le soleil est une simple étoile, semblable à tant d'autres à peine discernables dans le ciel. Elles sont tellement éloignes que leur lumière, se déplaçant à la vitesse de 300000 km/s, met des années, des siècles, voire plus, pour nous atteindre. La lumière solaire parvient sur la Terre en 8,5 minutes, sur Pluton la planète la plus éloignée en 5,5 heures et sur Alpha du Centaure l'étoile voisine la plus proche en 4,3 années. Les anciens astronomes ont observé dans cet océan cosmique des points de lumière qui semblaient se déplacer parmi les étoiles. De notre petit monde nous avons toujours regardé fixement sur le grand océan cosmique depuis de milliers d'années.

Voir aussi Les planètes du système solaire
  • Mercure
  • Vénus
  • Terre
  • Mars
  • Jupiter
  • Saturne
  • Uranus
  • Neptune
  • Pluton

 

 

Les planètes du système solaire

Notre système solaire consiste en une étoile moyenne appelée le Soleil, les planètes Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, et Pluton. Il inclue: les satellites des planètes; un certain nombre de comètes, d'astéroïdes et le milieu interplanétaire.

Le Système Solaire: Les profondeurs de l'Univers recèlent une quantité insoupçonnée de corps célestes. Comment ne pas s'interroger sur la nature de l'Univers dans lequel nous sommes plongés, sur sa structure et sur la place qu'y occupe la Terre ? Déjà à une époque d'ignorance complète nos ancêtres reconnaissaient trois catégories de corps célestes : Le Soleil, la Lune et les étoiles. En observant plus minutieusement la voûte céleste, ils identifièrent un quatrième type, il s'agissait de cinq étoiles brillantes qui semblaient errer dans Le ciel : Mercure, Venus, Mars, Jupiter et Saturne. Maintenant nous savons que le système Solaire dans son ensemble il comprend une étoile, neuf planètes et une infinité de petits corps célestes. Seul le Soleil émet sa propre énergie, Il produit, la lumière et la chaleur indispensables à la vie. Il est difficile de s'imaginer que le soleil est une simple étoile, semblable à tant d'autres à peine discernables dans le ciel. Elles sont tellement éloignes que leur lumière, se déplaçant à la vitesse de 300000 km/s, met des années, des siècles, voire plus, pour nous atteindre. La lumière solaire parvient sur la Terre en 8,5 minutes, sur Pluton la planète la plus éloignée en 5,5 heures et sur Alpha du Centaure l'étoile voisine la plus proche en 4,3 années.
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Le Soleil est la plus riche source d'énergie électromagnétique du système solaire (surtout dans la forme de sa chaleur et de sa lumière). Le plus près voisin stellaire du soleil est une étoile naine rougeâtre appelée Proxima du Centaure. Elle est située à 4.3 années- lumières de nous.

Tout le système solaire, incluant toutes les étoiles visibles par une nuit claire, gravite à l'intérieur de notre galaxie: la Voie Lactée. Notre galaxie est un disque en forme de spirale contenant 220 milliars d'étoiles.

Deux petites galaxies, gravitant très près l'une de l'autre, à l'intérieur de la Voie Lactée. On peut les voir de l'hémisphère sud. Elles ont pour noms le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan. La galaxie la plus près de nous est la galaxie d' Andromède.

C'est une galaxie en forme de spirale comme la Voie Lactée mais elle est 4 fois plus grosse et est à 2 millions d'années-lumières de nous. Notre galaxie, une parmis les milliards de galaxies connues, voyage à travers l'espace intergalactique.

Les planètes, la plupart de leurs satellites et les astéroïdes tournent autour du soleil, dans la même direction que celui-ci, sur des orbites circulaires très près les unes des autres. Lorsque l'on est au pôle nord du Soleil et que l'on regarde vers le bas, on peut voir que les planètes gravitent dans le sens anti-horaire. Les planètes gravitent autour du Soleil sur ou près du même plan, appelé écliptique. Pluton est un cas particulier car son orbite est la plus inclinée (18 degrés) et la plus élliptique de toutes les planètes. À cause de son orbite, Pluton est plus près du soleil que l'est Neptune. L'axe de rotation, pour la plupart des planètes, est presque perpendiculaire à l'écliptique. Il y a cependant deux exceptions : Uranus et Pluton, qui sont inclinées sur leurs côtés.

Composition du Système Solaire

Le Soleil renferme 99,85% de toute la matière du système solaire. Les planètes, qui sont formées à partir du même disque de matériel qui forme le Soleil, contiennent seulement 0,135% de la masse du système solaire. Jupiter contient plus que deux fois la matière de toutes les autres planètes misent ensembles. Les satellites des planètes, les comètes, les astéroïdes, les météorites et le milieu interplanétaire constituent le 0,015% qui reste. La table suivante est une liste de la répartition de la masse à l'intérieur du système solaire.

L'Espace Interplanétaire

Presque tout le volume du sytème solaire a l'air d'être vide. Loin d'être le néant, ce vide d'espace comprend le milieu interplanétaire. Le milieu interplanétaire inclut des formes d'énergies variées et au moins 2 constituants : la poussière interplanétaire et le gaz interplanétaire. La poussière interplanétaire consiste en des particules solides microscopiques. Le gaz interplanétaire, que l'on appelle aussi plasma, est un très mince courant de gaz et de particules chargées, pour la plupart, de protons et d'électrons. Ce courant provient du Soleil et est appelé le vent solaire.

 

Des particules qui vont plus vite que la lumière ?

le Vendredi 23 Septembre 2011

Une équipe internationale de scientifiques annonce avoir constaté que certaines particules subatomiques, des neutrinos, se déplaçaient plus vite que la lumière. _ Si la découverte est confirmée, elle met à mal, tout bonnement, l'une des lois de l'univers mises en évidence par Einstein. Celle de la relativité restreinte.

On avait déjà franchi, depuis belle lurette, le mur du son. Aurait-on franchi celui de la lumière ? C'est à peu près ce qu'affirme une équipe internationale de scientifiques, qui a fait une découverte majeure, de manière purement fortuite - comme toute découverte majeure qui se respecte... Une découverte qui pourrait remettre en question un certain E=MC².

Des scientifiques du CERN et du CNRS affirment avoir constaté que certaines particules subatomiques, des neutrinos, se déplaçaient plus vite que la lumière. Parties des laboratoires du CERN, près de Genève, elles sont arrivées au laboratoire de Gran Sasso, en Italie, 60 nanosecondes (60 milliardièmes de seconde) plus vite que la lumière ne l'aurait fait.

La lumière qui va, rappelons-le, à 300.000 km par seconde. Autrement dit, « sur une course de fond de 730km, les neutrinos franchissent la ligne d'arrivée avec 20 mètres d'avance », résume le CNRS. Et il ne s'agit pas d'un exploit unique : les résultats publiés par le CERN et le CNRS sont le fruit de trois ans de données.

« Je ne m'attendais pas du tout à ça, on a passé six mois à refaire tout de zéro », raconte Dario Autiero, chercheur à l'Institut de physique nucléaire de Lyon et responsable de l'analyse des mesures d'Opera. Recalibrage des instruments de mesure par les plus grands experts indépendants, vérification des relevés topographiques, du tunnel à particules... même la dérive des continents et le séisme dévastateur de L'Aquila ont été pris en compte. Aujourd'hui, l'équipe, qui ne s'en est toujours pas remise, demande que d'autres scientifiques vérifient tout ça, de manière indépendante. La communication sera officiellement faite aujourd'hui.

Branle-bas de combat. Si cette découverte se confirme, elle invalide l'un des piliers de la relativité restreinte d'Einstein, qui stipule que la vitesse de la lumière est une constante cosmique, et que rien dans l'univers ne peut se déplacer plus vite. Toute une partie de la littérature de science-fiction est basée sur l'idée que, si l'on peut aller plus vite que la lumière, on peut voyager dans le temps...

 

Le système solaire   D'où venons-nous ?   Comment le Soleil et la Terre sont-ils apparus ?
Nous avons enfin atteint le moment où la science peut apporter des réponses de plus en plus précises, de plus en plus étonnantes. La Nature a décidément plus d'imagination que les hommes !

Depuis l'exploration spatiale, nous en avons plus appris sur notre système solaire et son origine en une génération qu'en quarante siècles. Là où l'on attendait l'uniformité, on a trouvé la plus grande diversité ?. Je vais vous présenter les multiples facettes du système solaire et vous raconter quatre milliards et demi d'années de son histoire. Les planètes sont les soeurs du Soleil. Nous sommes les enfants du temps et des étoiles.
Sommes-nous seuls dans l'Univers ?
Les astronomes commencent à apercevoir d'autres planètes autour de quelques soleils proches. Ils espèrent bientôt trouver d'autres Terres ! Open

Soleil Mercure Vénus Terre Lune-Terre Mars Jupiter Saturn Uranus Neptune Pluto Dwarf Planets Dwarf Planets Comets Asteroids Meteroids Beyond Our Solar System Kuiper Belt Solar System
 

Histoire de nos origines

 
Sommes-nous seuls?   Quelle est la place de l'homme dans l'Univers?

Pour la première fois, après des millénaires d'interrogations, les scientifiques sont arrivés à un certain consensus sur les grandes étapes de la formation du système solaire grâce aux formidables progrès de l'Astronomie au cours de ces dernières décennies. Il n'est guère aisé de se représenter l'âge de l'Univers estimé par les astronomes à environ 15 milliards d'années. En imaginant que nous sommes à la fin d'une année fictive qui aurait commencé le 1er janvier avec le début de l'expansion de l'Univers, les premiers hominidés sont apparus le 31 décembre à 22 h. 30 et la Renaissance en Europe a eu lieu une seconde avant le premier coup de minuit.


Cette seconde a cependant suffi à l'homme pour observer le Monde et émettre des hypothèses rationnelles et scientifiquement fondées sur l'origine de la Terre et des planètes. Nous n'avons évidemment pas ici pour ambition de retracer ici toute l'aventure intellectuelle et humaine qui a précédé. Nous nous contenterons de rappeler comment, du développement de la pensée rationnelle à l'âge d'or de l'astronomie, nous sommes maintenant capables de décrire la formation de la Terre et des planètes. Tel un détective qui rassemble les indices pour trouver le coupable, les astronomes recherchent des traces et des témoignages de cette époque reculée. Ils procèdent comme des archéologues qui, à partir de fragments de poteries et de fondations d'anciens bâtiments, reconstituent l'histoire des civilisations passées.

Sommes-nous les enfants du Soleil? Non, l'étoile Soleil est notre grande soeur.
Nous sommes plutôt les enfants des étoiles et du temps. À l'exception de l'hydrogène et de l'hélium de notre corps qui date du début de l'Univers, les atomes, dont notre corps est fait, ont été fabriqués par plusieurs générations d'étoiles au cours des 10 milliards d'années qui ont précédé la naissance du Soleil. Il a fallu ensuite près de 5 milliards d'années pour que l'Homme apparaisse.

L'âge d'or de l'astronomie


Rien n'aurait été possible sans le prodigieux développement des sciences de l'Univers depuis les années 1960. Cet âge d'or est dû à la conjugaison de plusieurs facteurs favorables comme l'essor de l'astronomie spatiale, l'utilisation d'ordinateurs puissants, la construction de grands télescopes, la mise au point de nouveaux détecteurs et la croissance de la population des chercheurs. Le nombre d'astronomes professionnels a été multiplié par 30 en moins de 60 ans !

Avec la radioastronomie, née en récupérant les radars de la dernière guerre mondiale, et le lancement de satellites artificiels, observatoires astronomiques non perturbés par l'atmosphère terrestre, l'observation du ciel ne se restreint plus au domaine optique. Les astres sont maintenant visibles dans tous les domaines de longueur d'onde des ondes radio aux rayons ? en passant par le rayonnement millimétrique, infrarouge, optique, ultraviolet et X. Nous pouvons comparer notre situation à celle d'un enfant né avec des lunettes "vertes" qui n'aurait vu jusqu'alors que les objets verts de son environnement. Nous sommes exactement au moment où, adolescent, on lui retire brutalement ses lunettes et où il peut voir enfin toutes les couleurs. Il découvre alors que le monde est beaucoup plus riche et varié que prévu !

Avec l'exploration in situ des planètes par des sondes spatiales qui sont nos yeux et nos oreilles projetés à des milliards de kilomètres, nous venons de vivre l'âge d'or de l'exploration du système solaire. On peut comparer ce moment à celui de la découverte de l'Amérique et des contrées lointaines par les grands navigateurs tels Christophe Colomb, Magellan et les autres. Ce qui fut un exploit il y a 5 siècles est devenu un élément de notre vie quotidienne. Les planètes et leurs satellites ne sont plus pour nous de simples points de lumière dont on se contente d'étudier le mouvement. Ce sont des "Terres" à part entière dont l'étude échappe aux seules astronomes pour devenir aussi le domaine des géophysiciens.

Alors qu'au début du XXème siècle, les découvertes de la relativité générale, de la mécanique quantique, des mathématiques "modernes" et de bien d'autres champs de recherche avaient profondément renouvelé des disciplines telles que la physique, la chimie ou les mathématiques, la fin du siècle aura vu l'explosion des sciences de l'Homme et de l'Univers, la biologie et l'astrophysique. En 1900, les hommes ne savaient pas pourquoi les étoiles brillaient, ils ignoraient l'existence des galaxies et ils ne voyaient les planètes que comme des points lumineux dans le ciel.

En 2000, les astronomes savent pourquoi les étoiles brillent, ils ont observés des milliards de galaxies et ils connaissent la surface des planètes avec une précision de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Un tel bouleversement a évidemment de profondes conséquences sur notre société. Sur le plan culturel, la découverte d'un Univers beaucoup plus riche que nous ne l'imaginions auparavant et la grande diversité des phénomènes observés devraient à terme modifier profondément notre vision de la place de l'Homme dans l'Univers. Sur le plan scientifique, l'Univers est un fantastique laboratoire gratuit où se déroulent des phénomènes non reproductibles sur Terre. L'observation de la matière dans des conditions extrêmes de pression, de température et de densité devraient nous permettre de progresser dans des domaines très divers de la physique et de la chimie. Sur le plan industriel, la recherche spatiale est l'objet d'une compétition farouche entre les grandes puissances que sont l'Europe, les Etats-Unis, le Japon et, dans une moindre mesure, la Russie, la Chine et l'Inde. Le but est tout simplement la domination du monde économique.

Une motivation importante pour étudier nos origines est de mieux connaître notre propre Terre. Il est souvent difficile de nous la représenter comme une planète ordinaire et pourtant, en termes de position et de taille, elle est vraiment commune. Elle est soumise aux mêmes mécanismes physiques que les autres corps du système solaire. Pour mieux connaître la Terre, on devrait en toute rigueur faire comme le physicien dans son laboratoire, c'est à dire procéder à des expériences. Il est impossible et il n'est surtout pas souhaitable de tenter la moindre expérience sur la Terre, de la chauffer, de la couper en deux, de la secouer, de la déformer, etc. L'étude des autres planètes rend heureusement ces expériences inutiles! Il suffit de comparer la Terre à un corps plus gros ou plus petit, plus ou moins dense, plus ou moins chaud, de composition chimique différente, etc. pour comprendre le rôle de chaque paramètre.

Un des grands progrès de l'aventure spatiale est d'avoir fait comprendre aux hommes les relations étroites entre les planètes et de les avoir conduits à entreprendre une étude comparée des corps du système solaire. Les autres planètes et satellites ont en effet beaucoup à nous apprendre sur la Terre et réciproquement. Par exemple, Vénus a la même masse et les mêmes dimensions que la Terre, mais tourne beaucoup moins vite et ne possède pas d'eau liquide à sa surface : la météorologie y est donc plus facile que sur Terre. L'atmosphère de Titan est, comme celle de la Terre, composée essentiellement d'azote et la pression au sol est la même que sur Terre, par contre elle est beaucoup plus froide. Les volcans de Mars sont plus grands que leurs homologues terrestres et ceux d'Io sont plus actifs. On pourrait ainsi multiplier les exemples. Alors qu'au XIXème siècle, âge d'or de la géologie, l'étude de la Terre était essentiellement locale, elle est devenue globale au XXème siècle avec la naissance de la géophysique. On peut imaginer qu'au cours des prochaines décennies, l'apparition d'une nouvelle discipline, la planétologie comparée permettra de mieux connaître notre Terre.

Certains phénomènes terrestres comme le volcanisme, la météorologie ou encore l'activité interne, pourront ainsi être mieux compris et mieux prédits. La prise de conscience "écologique" de notre planète Terre est un des progrès du XXème siècle. Seule la connaissance scientifique et l'étude rationnelle de tous les phénomènes qui permettent de comprendre l'évolution d'une planète nous feront progresser au sens trivial où nous pourrons mourir moins idiots. Toute autre attitude serait une régression !

Il est maintenant clair qu'une bonne connaissance de la Terre passe par la compréhension de sa place dans l'Univers et de la succession des événements qui ont conduit à l'agglomération des atomes qui la constituent. Avant les années 1960, les géologues ne s'intéressaient pas aux autres planètes et les astronomes ignoraient la planète Terre. Nous comprenons maintenant que celle-ci n'est qu'un membre parmi d'autres de la grande famille du système solaire. Comment les atomes se sont-ils formés, et dans quelle proportion ? Comment naissent les étoiles et comment est apparu l'étoile Soleil ?

Comment des planètes et satellites se sont-ils rassemblés autour du Soleil?
Autant de questions qui sont un préalable à une bonne connaissance de la Terre et de son évolution ! Raison ou déraison?

La Grèce Antique qui nous a légué le raisonnement rationnel, le Moyen-âge qui nous a enseigné la vertu de l'observation et la Renaissance qui a fait la synthèse des deux ont apporté aux scientifiques les deux instruments de leur démarche: l'observation qui nous fournit des faits auxquels tout le monde doit se soumettre et la théorie qui s'efforce de lier entre eux des faits récoltés dans différentes directions. Il faut bien comprendre que les astronomes peuvent affirmer qu'une théorie est fausse à chaque fois qu'une contradiction avec une observation apparaît, ils ne peuvent pas affirmer que ce qu'ils disent est vrai tant qu'une observation n'a pas infirmé l'interprétation.

En d'autres termes, nous savons comment la Terre ne s'est pas formée. Nous pensons avoir compris les grandes étapes de la vie de la Terre, mais nous ne pouvons pas affirmer que nous détenons la Vérité. Seule une approche rationnelle des phénomènes nous a permis de progresser. En d'autres termes, l'observation du monde qui nous entoure doit commander et toute théorie doit être quantitativement évaluée. Des calculs précis doivent étayer toute tentative d'explication et toute théorie, tout système, aussi beaux soient-ils, doivent s'incliner devant les faits d'observation, aussi laids soient-ils. Dire cela ne signifie nullement que les sciences physiques doivent diriger le monde. Les errements des scientistes du siècle passé nous montrent qu'une approche purement "mécanique" du monde est bien insuffisante. Affirmer le besoin d'une approche scientifique signifie qu'un homme raisonnable ne doit jamais oublier que le doute et l'esprit critique sont essentiels. Pour paraphraser les comiques, le monde est rempli d'imbéciles pleins de certitudes, il contient heureusement quelques individus remplis de doutes !

À propos d'un problème précis, celui de nos origines, cet exposé se veut un plaidoyer en faveur de la recherche et de l'éducation, atouts essentiels pour notre avenir et seules alternatives à un monde où l'intolérance et la violence régneraient en maîtresses. Il se veut aussi un hommage à l'intelligence et à l'enthousiasme de ceux qui ont permis d'avancer et un cri contre tous les fanatismes, toutes les intolérances et toutes les pseudosciences. L'auteur de ces lignes ne supporte pas ceux qui veulent tellement faire le bonheur des autres qu'ils les envoient au bûcher ou les enferment dans des camps. Les débats sur la question de nos origines illustrent bien l'éternel combat entre ceux qui parient sur l'intelligence et ceux qui refusent le doute.

Il faut toujours garder en mémoire les persécutions qui se sont abattues sur ceux qui ont eu le courage de leurs opinions, même si elles heurtaient le pouvoir en place. Pour avoir préféré Copernic à Ptolémée, pour avoir remis en cause la physique d'Aristote et son monde fini et immuable et lui avoir préféré un Univers infini, livré à une évolution universelle et éternelle, pour avoir refusé de se renier, Giordano Bruno périt sur le bûcher en 1600. Au XXème siècle, pour ne pas s'être soumis, des scientifiques sont morts dans les camps d'Hitler ou de Staline et beaucoup tombent encore sous les balles de fanatiques religieux.

Mais, plutôt que de s'attarder sur les épines, pensons aux roses et à l'extraordinaire aventure de la connaissance qu'est cette quête de notre passé. Comment ne pas s'émerveiller devant la puissance de l'esprit humain qui parvient à comprendre ce qui s'est passé depuis plusieurs milliards d'années, c'est à dire sur une durée de plusieurs dizaines de millions de fois supérieure à celle de la vie d'un homme. L'homme moderne parvient aussi à observer ce qui est à des distances de centaines de millions de milliards de milliards (1026) de fois plus grandes que sa propre taille !

En même temps, les découvertes des astronomes donnent à tous ceux qui voudraient nous placer au centre de l'Univers une formidable leçon d'humilité. À quoi bon revenir sur notre passé ? demanderont certains. Occupons-nous plutôt du présent ! ajouteront d'autres.
En fait, cette recherche est le meilleur moyen de mieux connaître la Terre et les planètes, de mieux les comprendre et in fine de mieux les respecter et de mieux les habiter.

Le progrès des techniques et la course à la croissance posent des défis colossaux à l'homme moderne.

Saura-t-il maîtriser ses nouvelles inventions?
Ne risque-t-il pas de mettre en danger les conditions de vie sur Terre ?

La seule réponse possible réside dans la connaissance du monde qui nous entoure et des mécanismes de son évolution. Reconstituer le long déroulement des événements qui ont abouti au monde actuel est le meilleur moyen de prédire la suite de l'histoire et de maîtriser notre futur.

Les méthodes employées par les scientifiques devraient constituer une formidable leçon intellectuelle pour tous les hommes. Cet aller-retour permanent entre la théorie et l'observation, entre la liberté de la pensée pure et la contrainte des faits, est un excellent exercice pour la conduite de notre existence quotidienne. Chacun peut y apprendre à se méfier des proclamations de foi, à s'incliner devant les faits, aussi dérangeants, aussi contrariants fussent-ils, et à aimer la puissance de l'imagination à condition d'y mettre des garde-fous.

Le voile commence enfin à se lever sur des problèmes non-résolus depuis des siècles. Nous avons maintenant des éléments de réponse aux questions que nous nous posions depuis des millénaires. Nous commençons à entrevoir quelle est notre place dans l'Univers et à reconnaître que le monde qui nous entoure est infiniment plus riche que nous ne pouvions l'imaginer. L'époque où nous n'étions que les jouets de forces mystérieuses paraît bien lointaine. Il est frappant que cette marche vers la connaissance soit aussi une conquête de la liberté.

Loin d'avoir reçu une réponse toute faite et définitive dans un monde triste et figé, nous prenons conscience de notre appartenance à un monde encore mal connu mais où règnent en maître la variété et la diversité. L'homme a maintenant les moyens de prendre son destin en mains. Mais le chemin qui reste à parcourir est si considérable qu'il ne peut que susciter les passions. Les progrès impressionnants de nos connaissances au cours de la dernière partie du XXème siècle ne doivent cependant pas nous masquer la réalité. Il ne faudrait pas croire que l'approche irrationnelle du monde relève d'un passé révolu. Les attaques contre la science sont encore nombreuses et ne sont pas l'apanage de quelques fondamentalistes religieux fanatiques et bornés.

Tous ceux qui ne comprennent pas la nature de sa démarche ont une attitude désinvolte à l'égard de la science et tendent à la rejeter. Cela comprend ceux qui croient que la science est la cause de tous nos maux, comme ceux qui prêtent l'oreille aux irrationnels de tous poils ou ceux qui discourent sur le monde sans le connaître.
Croire que la science serait responsable de nos malheurs et se déplacer en avion ou en automobile, regarder la télévision, téléphoner, exiger les meilleurs soins hospitaliers, se chauffer et d'éclairer à l'électricité, etc., est bien paradoxal. C'est ne pas vouloir comprendre que seule l'utilisation de la science par les hommes, donc par les citoyens, est en cause, non la science en elle même.
Celle-ci n'est ni bonne ni mauvaise, elle est. Quand une victime reçoit une balle de fusil, le coupable est le tireur, non les lois de la balistique. D'ailleurs, il ne faut pas confondre la science, qui a pour but la connaissance, et la technique tournée vers les applications. Bien qu'elles soient toutes deux essentielles, elles ne sont pas de même nature.

Pour ne citer qu'un exemple, aux États-Unis, une minorité bruyante rejette toute approche scientifique et considère que la Terre et l'Homme ont été créés tels quels il y a quelques milliers d'années. Ces groupes anti-darwiniens purs et durs déploient une activité débordante pour tenter d'imposer l'enseignement du créationnisme dans les écoles. Seules quelques associations d'enseignants luttent courageusement contre ces religieux fanatiques. Un tel mouvement montre qu'un pays techniquement avancé n'est jamais à l'abri de l'obscurantisme et que l'éducation a une importance primordiale.

En Europe, l'audience des créationnistes reste confidentielle, mais il faut prendre garde que ces idées rétrogrades ne traversent l'Atlantique. Les formidables succès de l'esprit humain dans le domaine scientifique sont tellement enthousiasmants qu'on ne peut être qu'irrité par ces manifestations de l'irrationnel. Ces survivances des premiers bégaiements de notre esprit sont souvent inquiétantes. Certaines peuvent prêter à sourire, mais lorsqu'on songe que l'esprit critique a si souvent été pourchassé par les pouvoirs en place, et que l'ignorance a toujours fait le lit de l'oppression, il n'est jamais inutile de dénoncer ceux qui exploitent la naïveté de leurs semblables. Quand on sait quel long apprentissage demande la formation scientifique, il est difficilement supportable d'entendre sans protester ceux qui voudraient faire croire que le monde tourne comme ils le souhaitent et non comme on l'observe.

Des tâtonnements primitifs de l'époque où les planètes étaient mystérieuses, et donc dotées de pouvoirs surnaturels, subsistent des croyances qui paraissent bien ridicules comme l'astrologie et l'histoire de soucoupes volantes. Ce passé maintenant révolu nous a légué quelques escrocs qui tirent profit de la crédulité humaine. Il est évident que les positions des planètes au moment de la naissance d'un individu (ou de sa conception ?) n'a strictement aucune influence sur son avenir et l'on ne peut que s'en féliciter.

De même, les milliers d'astronomes qui scrutent le ciel avec des instruments de plus en plus performants, au point de détecter en quelques instants l'apparition de toute nouvelle étoile parmi les dizaines de millions connues de même éclat, n'ont jamais vu le moindre débarquement d'extra-terrestres.

Pourtant, ils sont les premiers convaincus de leur existence probable parmi les innombrables étoiles, à rechercher sérieusement les signes de leur présence et à préparer les bouteilles de champagne pour les accueillir ! Je recommande à mes étudiants de boycotter toutes les maisons de presse, d'édition et de moyens audiovisuels qui diffusent un horoscope, une rubrique d'astrologie ou des histoires de soucoupes volantes. Je n'ai évidemment aucun ressentiment contre ceux qui croient à ces fadaises, leur naïveté pourrait m'attendrir, mais je ne supporte pas que d'autres, qui n'y croient pas, en fassent commerce.

Les directeurs de ces journaux ou de ces chaînes de télévision prouvent ainsi qu'ils méprisent leurs lecteurs ou leurs auditeurs, et que leur but est avant tout de gagner le maximum d'argent quels que soient les moyens à employer pour y parvenir.

La République, qui consacre avec raison d'importantes sommes d'argent à l'éducation, ne devrait pas tolérer ces escroqueries. La pollution intellectuelle qu'elles engendrent est tout aussi dangereuse que les autres formes de pollution.

Aucun scientifique n'accorde foi à ces âneries ; mais il est des attitudes irrationnelles plus subtiles et tout aussi dangereuses. Par exemple, certains philosophes prétendent que nous ne pouvons pas distinguer le vrai du faux, que le monde qui nous entoure n'est qu'illusion et que toutes les théories se valent. L'histoire de l'aventure scientifique nous prouve le contraire. A ces sceptiques, j'ai toujours envie de retirer la chaise sur laquelle ils vont s'asseoir pour leur demander, lorsqu'ils se retrouvent les quatre fers en l'air, si la douleur qu'ils éprouvent, d'origine purement gravitationnelle, n'est qu'une illusion. Affirmer que toutes les opinions se valent n'est qu'un premier pas avant de basculer dans le négationnisme.

D'autres philosophes ou spécialistes des sciences sociales beaucoup plus sympathiques, et dont les idées sont souvent fécondes, ne rendent pas service à la science quand ils emploient, hors de leur contexte, des termes scientifiques dont ils ne comprennent pas le sens. Des exemples récents nous prouvent que le choix des mots ne peut pas être traité avec désinvolture et que nul n'est jamais assez rigoureux.

Certains scientifiques, qui ont quelquefois apporté une contribution importante à leur domaine de recherche, se laissent quelquefois aller à des spéculations qui rappellent les mythes primitifs.

Nous sommes impressionnés d'observer quotidiennement comment des systèmes ordonnés sont nés du chaos initial, qu'il s'agisse de planètes, de galaxies ou de la vie. Faut-il pour autant y voir la moindre finalité ? Rien ne permet de l'affirmer aujourd'hui. Le fait de vouloir à tout prix attribuer une finalité à l'Univers montre que certains scientifiques contemporains n'ont pas été vaccinés par l'histoire du géocentrisme et des persécutions qu'il a engendrées. Ils remettent à leur manière l'homme au centre de l'Univers. Dans le débat entropie et anthropien, ils arguent de la complexité croissante de l'étoile à la planète, puis de la planète à l'homme, pour suggérer que celui-ci soit bien le but de l'Univers.

Quelle ambition démesurée ! Quelle mégalomanie ! Et quelle régression !

Ils ressemblent aux bébés qui se croient le centre du monde et se mettent à hurler si on ne leur accorde pas l'attention exclusive qu'ils désirent. L'idée que l'Univers aurait un but, que nous aurions été assez intelligents pour le découvrir, et que nous serions nous-mêmes ce but, ne paraît pas plus raisonnable qu'imaginer la Terre immobile au centre de l'Univers et le ciel tournant autour d'elle.

Simplement, cette vision nombriliste contemporaine se pare d'une terminologie scientifique qui la fait apparaître un peu plus sérieuse. S'enthousiasmer de la puissance de la pensée rationnelle ne doit pas conduire à croire que les sciences physiques doivent mener le monde. Se contenter d'une conception mécaniste de celui-ci, comme l'ont défendu Auguste Comte et d'autres penseurs du XIXe siècle, serait une grave erreur.

Il ne faut surtout pas tenter d'appliquer des méthodes et des concepts utiles en astronomie ou en physique à des domaines auxquels ils ne sont pas adaptés. Chaque discipline doit inventer ses propres techniques mais sans jamais se départir de la rigueur, de l'esprit critique et du respect absolu des faits qui caractérisent la démarche scientifique.

Se passionner pour l'Univers que les astronomes du XXe siècle nous ont découvert et s'émerveiller de la puissance du raisonnement scientifique ne signifie pas non plus qu'il faille entreprendre une croisade antireligieuses toutes affaires cessantes. La science et la religion suivent actuellement des voies fort éloignées l'une de l'autre. Vouloir démontrer scientifiquement l'existence de Dieu n'est pas plus raisonnable que l'inverse. Croire ou non en un dieu dépend surtout de l'éducation reçue et du milieu fréquenté.

Les religions rassemblent actuellement des communautés qui partagent des traditions, une culture et une morale, et elles jouent un rôle social important. Seuls le fanatisme religieux, le prosélytisme forcené, le fondamentalisme agressif et le rejet de l'autre sont insupportables. À ce propos, je crois que le maître mot est celui de tolérance. On doit accepter la culture et l'originalité de l'autre même si l'on ne partage pas toutes ses idées.

La diversité fait la richesse du monde. À l'aube de la science moderne, les religions et les mythes primitifs ont joué un grand rôle en permettant aux scientifiques de critiquer les textes écrits et d'affiner leurs méthodes d'analyse. Depuis, les questions posées et les buts poursuivis ne sont plus les mêmes. L'Église catholique n'est pas sortie grandie de la condamnation des thèses de Galilée ou de Darwin. De même, le régime stalinien ne s'est pas glorifié par ses positions sur la biologie.

Les rapports entre la science et la religion peuvent être illustrés par la réplique de la place à Napoléon auquel il présentait sa nouvelle théorie de la formation du système solaire : Monsieur le Marquis, je ne vois pas beaucoup Dieu dans votre théorie, lui fit remarquer l'Empereur ; Sire, c'est une hypothèse dont je n'ai pas eu besoin", lui répondit l'astronome.

Contrairement à ce que pourraient croire certains, la quête de nos origines est loin d'être achevée. Elle est au contraire tout juste ébauchée. Après des millénaires de discussions et de considérations philosophiques qui ont préparé le terrain, la fin du XXème siècle aura marqué un tournant. Pour la première fois, les hommes ont accumulé un faisceau d'indications qui leur permet d'éliminer la plupart des théories cosmogoniques du passé et de s'accorder sur un scénario.

Même si de nombreuses étapes sont mal comprises et suscitent des controverses, l'accumulation des observations va nous permettre de tester finement chaque partie de ce scénario. L'exploration du système solaire doit continuer, la recherche de nouveaux témoignages sur nos origines doit s'intensifier et cet aller-retour permanent entre les observations et leurs interprétations devrait nous permettre d'avancer à grands pas au cours des siècles à venir.

En rapportant sur Terre des échantillons de matière primitive prélevés un peu partout dans le système solaire, en améliorant les techniques d'analyse en laboratoire des échantillons, en développant les modèles dynamiques et chimiques et en commençant à recueillir des informations sur d'autres systèmes solaires, nous devrions faire de spectaculaires progrès. Certaines de nos idées sur l'origine de la Terre feront peut être sourire nos descendants, de la même manière que nous sourions des mythes inventés par nos ancêtres; mais ils reconnaîtront que quelque chose a changé à la fin du XXème siècle et que nos idées sur nos origines auront été le point de départ de leurs connaissances.

Création ou Eternité?

La question de nos origines obsède depuis toujours l'esprit humain. Elle a suscité une foule de récits mythiques racontant l'origine du monde, des dieux et des tribus et elle est, de nos jours, au centre de maintes recherches scientifiques. Depuis la nuit des temps, les hommes ont polémiqué pour savoir si notre monde était le résultat de transformations incessantes ou s'il avait été créé un beau jour.

Mais comment ? À partir de quoi ? Le passé est imprévisible, disait-on chez les sceptiques, mais les découvertes du XXème siècle les ont fait mentir car un coin du voile vient enfin d'être soulevé ! Les hommes ont passé des millénaires à inventer des mondes imaginaires. Depuis peu, ils ont changé et se sont dotés d'outils d'observation puissants pour découvrir le monde réel !

Première leçon de cette aventure: la nature a beaucoup plus d'imagination que tous les hommes réunis ! Deuxième leçon: nous savons maintenant, grâce aux nombreuses contraintes apportées par les observations, ce qui ne s'est pas passé. Nous pouvons jeter aux orties les mythes primitifs et les théories cosmogoniques du passé, aussi jolies soient-elles.

Nos ancêtres auraient-ils perdu leur temps en se berçant d'illusions ? Non, car leurs tâtonnements ont défriché le terrain et nous ont aidé à formuler de nouveaux concepts. Sans eux, nous serions totalement incapables, de nos jours, de percer le mystère de nos origines. La critique des idées et des dogmes de nos prédécesseurs a engendré la science moderne !

La Terre, le ciel, le Soleil, les étoiles ont-ils existé de tout temps ?
Sont-ils éternels ou ont-ils été créés un jour ?

Les hommes se sont posé ces questions depuis des millénaires sur tous les continents. L'idée d'un monde éternel, sans commencement ni fin a été présentée et défendue avec force par Aristote. Elle s'opposait au message très fort de la chrétienté qui croyait en un monde créé par un dieu.

Ce débat sur l'existence ou non d'un début a fait rage pendant des siècles et fut au centre d'un controverse extrêmement rude au XIIIème siècle au sein de l'Université de Paris, centre mondial de la connaissance et du savoir à l'époque. Cette querelle a été aussi vive que celles qui ont entouré, quelques siècles plus tard, les théories de Copernic ou de Darwin.

La quête de nos origines est un sujet scientifique par excellence et pourtant la métaphysique s'en est emparée bien avant la physique. Toutes les religions et systèmes du monde qui ont eu la prétention d'être universels ont proposé une histoire de la création. Objet de tous les fanatismes et de toutes les intolérances pendant des siècles, cette recherche est en même temps une merveilleuse illustration du génie humain.

A la fin du XXème siècle, l'homme a enfin soulevé un petit coin du voile sur ses origines, mais le débat est loin d'être clos ! Loin d'être une simple lubie de scientifique curieux sans grande conséquence pratique, la question de nos origines a toujours fait l'objet de débats extrêmement vifs au point où, dans les cas extrêmes, ceux qui n'étaient pas les tenants de la "bonne théorie" ont été passés par les armes, brûlés ou pendus. Il est tout de même frappant de constater que tous les systèmes qui prétendaient à l'universalité ont voulu imposer, souvent par la force, une théorie de nos origines.

Pendant des siècles, les églises, les temples et les mosquées ont imposé leurs vues. Mais, ce ne fut pas le seul fait des religions. Au fil de l'histoire, on retrouve souvent dans ces querelles idéologiques sur nos origines le conflit des systèmes socio-économiques de l'époque. Pendant plus de 150 ans, à l'époque de la primauté de la France et de l'Angleterre dans le monde, les écoles françaises et anglaises se sont opposées sur deux conceptions de la formation des planètes.

Entre 1945 et 1990, le débat a porté sur deux théories, celle de l'école américaine et celle de l'école soviétique!

Bien que l'étude de nos origines concerne avant tout les astronomes, les physiciens, les chimistes, les mathématiciens, les minéralogistes, les géophysiciens et bien d'autres, il a de telles implications philosophiques et sociologiques qu'il continue de susciter les passions et quelquefois les polémiques. Même entre scientifiques, les disputes sont nombreuses. Les différentes voies d'exploration sont si variées que beaucoup d'auteurs s'ignorent délibérément. En étudiant les textes consacrés à la question de nos origines, on rencontre plus de philosophes que ? d'ingénieurs et quelque fois plus de métaphysique que de physique, mais la situation est en train de changer.

La recherche spatiale, le développement des moyens d'observation et d'analyse ont fourni des outils si puissants que nous vivons une véritable révolution dans l'histoire de l'acquisition des connaissances et que personne ne peut plus ignorer les contraintes apportées par les observations et par les modèles. Il nous paraît maintenant évident que la Terre, la Lune, le Soleil, les étoiles et les objets du ciel ont été formés un jour et qu'ils ont évolué. Nos ancêtres pensaient différemment. Beaucoup croyaient que les astres étaient là depuis toujours et seraient là pour l'éternité. Autrement dit, l'idée même d'évolution était étrangère aux hommes.

On leur enseignait qu'une puissance supérieure avait créé le monde une fois pour toute. Il est vrai que cette notion de début, d'évolution, donc de fin est dérangeante. On retrouve de nos jours ce rejet de l'évolution au sein de certaines sectes, de groupes fondamentalistes ou encore, au coeur d'un pays techniquement avancé comme les Etats-Unis, chez les créationnistes. Pendant des millénaires, les hommes ont mis dans le ciel des dieux qui avaient d'autres règles de vie mais qui leur ressemblaient beaucoup. Ils avaient un immense avantage sur nous, l'immortalité.

Aujourd'hui, nous dirions qu'il s'agit d'un avantage apparent seulement car des êtres immortels ne peuvent pas évoluer ! Mais quelques hommes ont refusé de croire que nous ne serions que de simples esclaves des caprices divins. Ils se sont posé des questions différentes: y-a-t'il, après tout, des lois qui régissent cet Univers ? Peut-on les découvrir par l'observation du monde qui nous entoure ?

En l'absence d'observations contraignantes, les théoriciens s'en sont donné à coeur joie pendant plusieurs siècles, imaginant les situations les plus diverses. Pour beaucoup de ces théories, de nombreuses hypothèses étaient à la limite de la métaphysique. Il faut bien comprendre que, dans le domaine de la science, il n'est point de salut hors des contraintes observationnelles. Combien de théories belles sur le papier ont été tuées par d'horribles faits ! Quels que soient nos préjugés et nos préférences, on doit impérativement s'incliner devant les faits d'observation.

La science fournit là une belle leçon d'humilité aux hommes, qu'ils soient politiciens, dirigeants ou exécutants ! Toute théorie doit rentrer dans le moule des contraintes observationnelles. La pensée pure, les idées a priori, les grands livres sacrés ne se sont pas révélés d'une grande utilité et l'acharnement à négliger l'évidence pour mieux croire à la véracité d'un mythe fondateur a souvent été un frein.

Par contre, l'analyse critique de ces a priori et surtout la confrontation avec les observations se sont montrées fécondes. Toute l'histoire de la recherche de nos origines est une succession sur plusieurs siècles d'idées préconçues, d'hésitations, d'impasses avec un manque souvent cruel de contraintes observationnelles et quelques avancées impressionnantes. Comme le disait Paul Valéry, plus il y a de métaphysique, moins il y a de physique et réciproquement !

Ce problème de nos origines ressemble à la reconstitution d'un immense puzzle, et pour corser le plaisir, on ne connaît pas le nombre total de pièces ni le sujet du tableau, beaucoup de pièces ont été à jamais perdues et, de surcroît, plusieurs jeux ont été mélangés.

Nous ignorons, par exemple, quelles pièces nous livrent des informations sur nos origines et quelles autres nous racontent la suite de l'histoire. Même si plusieurs pièces supplémentaires ont été récemment acquises, il reste à savoir où les placer et bien que nous y voyions globalement un peu plus clair, de nombreux points restent dans l'ombre. La principale difficulté provient du fait que le système solaire est le seul système planétaire à notre disposition.

Vivons-nous dans un système très improbable et unique? Le système solaire est-il un monstre ?
Ou bien vivons-nous dans un système banal et très commun dans la Galaxie ?

Il est évident que la découverte d'autres systèmes solaires permettrait de dégager des caractéristiques communes et d'éliminer ce qui n'est que coïncidence due à des conditions initiales particulières. Nous nous trouvons actuellement un peu dans la situation où, à partir de l'observation d'un seul individu, nous essayons d'en déduire des règles générales de vie en société.

Quelles sont les caractéristiques propres à toute une population ?
Qu'est ce qui est particulier à un individu ?

Le fait d'avoir les yeux bleus ou bien de posséder deux jambes ? Une seconde difficulté est liée au fait qu'il est malaisé de remonter dans le passé. Il semble possible de retrouver les conditions actuelles à partir de plusieurs conditions initiales différentes. Pour l'instant, le problème n'a pas de solution unique.
On peut imaginer plusieurs conditions initiales différentes conduisant toutes à ce qu'on observe actuellement. La recherche spatiale ainsi que toutes les observations modernes ont apporté une énorme quantité de données, le problème se pose de savoir lesquelles sont liées à la formation du système solaire.
L'énorme quantité d'informations accumulées au cours de ces deux dernières décennies nous a appris au moins une chose: le problème est beaucoup plus complexe qu'on ne le supposait. On est frappé, notamment, par la grande diversité des objets et des mécanismes observés.

La Nature est toujours plus riche qu'on ne l'imagine a priori ! Elle a en tout cas beaucoup plus d'imagination que le plus brillant des théoriciens ou des philosophes. Les archéologues du ciel À partir de quelles observations allons-nous reconstituer l'histoire de nos origines ? Un scénario de la formation du système solaire doit évidemment rendre compte de toutes les observations, mais aussi en susciter de nouvelles au risque d'être finalement rejeté. Ces données agissent comme des contraintes sur la construction de tout scénario.

Les témoignages des premiers instants du système solaire dont se servent les astronomes sont de nature multiple : composition chimique, dynamique des planètes, mesures radioactives, comptage de cratères, étude des astéroïdes et des comètes, observations d'autres étoiles, etc. Il n'est évidemment pas possible de passer en revue toutes ces informations car une encyclopédie serait nécessaire, nous nous contentons ici d'en citer quelques unes.

Place de la Figure 1: la météorite d'Allende (reprendre la figure 13, page 138 du livre Enfants du Soleil, et la légende. Je peux raccourcir la légende si nécessaire). L'inventaire du contenu du système solaire vient d'être fait après 30 ans d'exploration spatiale. Les objets les moins massifs, tels les astéroïdes, les comètes, les petits satellites, les anneaux des planètes ou encore les météorites ont été relativement peu transformés depuis leur formation.

Ils nous permettent donc de retrouver une partie des conditions initiales. Le fait que les planètes tournent dans le même plan sur des cercles nous indique qu'un disque de matière, en rotation autour du jeune Soleil, a précédé leur formation.

La composition chimique d'une planète ou d'un satellite résulte en grande partie de la température qui régnait au moment de la formation, elle est fournit donc une information essentielle. Le grand nombre de cratères d'impact observés à la surface des corps du système solaire témoigne de l'intensité et de l'importance du bombardement dans le processus de formation.

L'âge de la Terre, mesuré avec précision grâce à la radioactivité et aux méthodes de datation. Depuis peu, les astronomes recueillent des informations précieuses sur notre passé en observant les autres étoiles et leur environnement. Ils sont ainsi capables d'observer les étoiles justes après leur naissance. Les plus jeunes d'entre elles sont entourées d'un disque de matière et émettent de puissants jets dans les directions polaires. Le Soleil a probablement connu la même histoire.

Plusieurs dizaines de planètes ont été découvertes en moins de cinq ans autour d'étoiles proches. Elles sont bien différentes de celles que nous connaissons, mais nous avons un bon espoir de découvrir d'autres Terres au cours du XXIème siècle.

Place de la Figure 2: Les arcs de Neptune (reprendre la figure 16, page 168 du livre Enfants du Soleil , et la légende. Je peux raccourcir la légende si nécessaire). Un scénario de nos origines compte-tenu de tous les faits d'observation accumulés, on peut maintenant décrire dans les grandes lignes l'histoire de la formation du système solaire. Même si ce scénario semble accepté par la majorité des astronomes, ce n'est pas pour autant qu'il est vrai ! Il faut plutôt le considérer comme un formidable outil guidant la réflexion scientifique, mais qui nécessitera peut-être un jour une révision en profondeur. Même si quelques étapes de la formation des planètes nous échappent encore, nous pouvons au moins affirmé comment le système solaire ne s'est pas formé !

À la fin du XXème siècle, on peut dire que le système solaire est un enfant du temps. Il s'est écoulé plus de dix milliards d'années entre les premiers frémissements du Big-bang et la naissance du Soleil et 4,5 milliards d'années entre l'apparition de la Terre et celle de l'homme.
Ces durées astronomiques ont permis d'une part de fabriquer tous les atomes nécessaires à notre Terre et d'autre part à l'évolution de prendre son temps pour aboutir à un être aussi complexe, aussi inattendu et aussi imparfait qu'un homme.

Comprendre comment la Terre est apparue et a évolué revient à mieux la connaître et en même temps à mieux prédire son avenir. Peut-être un jour éviterons-nous ainsi quelque événement désagréable. Il est maintenant admis que, quelque part dans la Galaxie, il y a environ 4,5 milliards d'années, un nuage de gaz interstellaire s'est effondré sous son propre poids pour donner naissance à une étoile - le Soleil - et à son cortège de planètes. Au cours de son effondrement, cette nébuleuse primitive s'est aplatie pour former un disque gazeux dont le bulbe central est devenu le Soleil.

Au sein du disque, le gaz s'est tout d'abord condensé en petits grains. Des instabilités locales ont rapidement rassemblé ces grains en corps de quelques centaines de mètres de dimension. Le jeu de leurs collisions mutuelles a donné naissance à des embryons planétaires de quelques centaines de kilomètres, puis aux planètes et aux satellites que nous connaissons. L'existence d'eau liquide sur notre planète a permis le développement d'une chimie organique complexe et l'épanouissement de la vie.

Même si ces grandes lignes semblent acceptées, de nombreux maillons sont totalement incompris à tel point que des pans entiers de ce scénario ne sont pas encore déchiffrés. Comme disait Pierre Dac, Le chaînon qui manque entre le singe et l'homme, c'est nous.

Place des Figures 3 et 4: Schéma de la formation du système solaire (reprendre les figures 23 et 24, pages 232 et 233 du livre Enfants du Soleil et les légendes. Je peux raccourcir les légendes si nécessaire).

Il y a 4,5 milliards d'années, le jeune Soleil, qui venait juste de s'effondrer sur lui même, était plusieurs dizaines de fois plus lumineux qu'aujourd'hui et enfoui dans une nébuleuse de gaz et de grains, qui s'est aplatie ensuite sous la forme d'un disque sous l'action de la force centrifuge et de la viscosité. C'est ce dernier qui donnera naissance aux planètes. Las astronomes l'appellent disque protoplanétaire.

Ce disque passe par cinq phases: un disque de gaz, un disque de grains, un disque de planétésimaux, un disque d'embryons et un disque de planètes. Après le refroidissement brutal du Soleil, à la fin de sa formation, une partie du disque de gaz (environ 1%) s'est solidifiée sous la forme de grains micrométriques. Loin du Soleil, le disque était froid et des glaces d'eau, de méthane, d'ammoniaque et d'oxyde de carbone sont apparues. La température étant beaucoup plus élevée près du Soleil, des éléments réfractaires sont apparus tels que l'alumine, ou certains composés réfractaires du calcium, du magnésium et des oxydes métalliques.

Ainsi, la composition chimique du système solaire est une conséquence directe des variations de température dans le disque protoplanétaire. En frottant contre le gaz, les grains ont perdu une partie de leur énergie orbitale et se sont regroupés dans un disque très étroit situé dans le plan équatorial de la nébuleuse gazeuse. Soit des instabilités gravitationnelles ont conduit à l'effondrement des poussières en des corps, appelés "planétésimaux", et de 500 mètres à un kilomètre de dimension, soit des tourbillons ont rassemblé les grains pour former des corps de taille kilométrique. Dans les deux cas, des "planétésimaux" se forment en quelques milliers d'années.

La nébuleuse protoplanétaire contient alors un disque de planétésimaux qui va se coller les uns aux autres pour former d'embryons planétaires, d'une dimension typique de quelques centaines de kilomètres. La naissance de ces embryons est activement étudiée depuis plus de vingt ans. Deux paramètres importants contrôlent la croissance des embryons : la vitesse de libération des planétésimaux, vitesse en dessous de laquelle deux corps sont liés gravitationnellement, et la vitesse relative d'impact entre ces derniers.

Si cette dernière est supérieure à la vitesse de libération des planétésimaux, de l'ordre d'une dizaine de mètres par seconde, deux planétésimaux qui se rencontrent ne peuvent se coller et la croissance devient alors impossible. À l'inverse, si la vitesse relative est très inférieure à la vitesse de libération, le collage est possible et les embryons peuvent apparaître.

Deux scénarios de croissance ont été proposés dans les années 1970 et 1980 par les écoles soviétiques et américaines.
Dans un modèle, tous les corps grandissent à la même vitesse: c'est la croissance ordonnée. Dans l'autre, seul le plus gros corps grandit dans une région donnée du disque: étant plus massif, il attire plus efficacement les planétésimaux qui orbitent près de lui, il mange tout les corps de son voisinage, ce qui le fait grossir à nouveau et ainsi de suite.

C'est l'effet boule-de-neige. Entre le premier scénario très égalitaire et le deuxième plus élitiste, je vous laisse imaginer lequel a été développé par les soviétiques ou par les américains ! Cependant, l'accrétion ordonnée est beaucoup trop lente: il faut au moins 100 millions d'années pour former les embryons. Il semble donc que l'accrétion par effet boule de neige soit le bon mécanisme, il dure à peine cent mille ans. Du fait de la présence de glaces à grande distance du Soleil, les embryons des planètes géantes sont beaucoup plus massifs que les embryons des planètes terrestres.

En conséquence, ils accumulent à leur surface une partie du gaz environnant. Quand le gaz accumulé dépasse une certaine masse critique (environ dix fois la masse de la Terre), une instabilité hydrodynamique se met alors en place accumulant en un temps très court une gigantesque quantité de gaz. A la fin de ce processus, les embryons des planètes géantes sont couronnés d'une atmosphère très massive de gaz, comparable à celles observées aujourd'hui.

Après la phase d'accrétion par effet boule de neige, le disque se compose de centaines d'embryons de planètes qui ont consommé tous les planétésimaux à leur portée. Ils vivent initialement séparés les uns des autres sur des orbites circulaires. Rapidement ils se perturbent gravitationnellement et leurs orbites deviennent de plus en plus elliptiques, jusqu'à ce qu'elles se croisent. Les embryons subissent alors des collisions géantes. Du fait de leur très forte masse, les fragments issus des collisions ne peuvent s'échapper des corps parents et se regroupent pour former de plus gros embryons.

Certains astronomes pensent que la Lune aurait été formée à l'issue d'une telle collision géante entre la proto-Terre et un embryon voisin: une partie des fragments se seraient rassemblés pour former la Lune.

Quand ce processus prend fin, au bout de 100 millions d'années environ, le disque ne contient plus qu'un système de quelques jeunes planètes, qui pourrait être notre système solaire. Cette vision un peu idyllique cache en réalité de nombreux problèmes : les astronomes n'arrivent pas à former sur leurs ordinateurs des systèmes planétaires semblables au nôtre: il semble beaucoup plus facile de former quelques dizaines de petites planètes plutôt que neuf planètes seulement.

De plus, les orbites des planètes obtenues dans les simulations numériques sont plus elliptiques que dans le système solaire. Au début de leur vie, les planètes sont très chaudes et se refroidissent progressivement pendant plusieurs milliards d'années. Elles subissent alors de profondes transformations. Tout d'abord elles se différencient: les éléments les plus lourds, comme les métaux, descendent vers le coeur de la planète pour en former le noyau, alors que les éléments plus légers, tels les silicates, restent en surface et constituent la croûte.

Cependant, le refroidissement ne doit pas être trop rapide sinon cette évolution s'arrête prématurément: la présence d'éléments radioactifs joue un rôle déterminant en maintenant une température interne de plusieurs milliers de degrés pendant plusieurs milliards d'années, rendant possible l'évolution géologique.

Sans ces éléments radioactifs, la Terre aurait été une planète géologiquement morte où la vie n'aurait pu apparaître. Grâce à ces éléments qui échauffent le centre de la Terre, les continents dérivent et les volcans naissent, vivent et meurent : ils sont le moteur de la machine Terre.

Au cours de la phase de refroidissement, les gaz contenus dans les roches s'échappent dégorgés du corps de la planète. Si la masse de cette dernière est suffisante, elle se pare alors d'une fine atmosphère, indispensable pour la vie.

Par contre les corps trop peu massifs, comme Mercure ou la Lune, ne peuvent retenir leur atmosphère du fait d'une gravité insuffisante. Après un milliard d'années, les espèces vivantes apparaissent sur Terre tout d'abord sous forme de cellules isolées, puis deviennent de plus en plus complexes au cours de leur évolution.

Elles modifient profondément leur environnement et en particulier l'atmosphère en transformant le gaz carbonique en oxygène. Au cours de ce premier milliard d'années, les planètes du jeune système solaire sont encore soumises à un bombardement intense, dont les surfaces cratérisées des planètes et satellites témoignent aujourd'hui.

Certains pensent par exemple qu'un corps de dix kilomètres, résidu de la formation des planètes, se serait écrasé sur Terre à l'ère secondaire et serait responsable de la disparition de 80% des espèces vivantes. Après cette catastrophe, les ancêtres des espèces vivantes contemporaines, en particulier les mammifères, sont apparus. Mais ceci est une autre histoire…

Le scénario que nous venons de décrire n'est en rien une histoire figée: il résulte, à la fin du XXème siècle d'une réflexion rationnelle active qui a débutée dès le XVIIIème siècle. Il illustre combien la recherche de nos origines, loin d'être un simple sujet de curiosité, est le meilleur moyen de mieux connaître la Terre et les planètes et, in fine, de mieux les respecter et de mieux les habiter.

C'est aussi une belle illustration de la méthode scientifique, qui par sa soumission absolue aux faits, et son allez et retour incessant entre théorie et observation permet d'améliorer nos connaissances. La pensée scientifique n'est efficace que parce qu'elle met un certain nombre de valeurs fondamentales - rigueur, prudence, modestie, honnêteté intellectuelle, esprit critique- au service de sa passion : connaître. En permettant également à l'homme de s'élever au-delà des apparences et des dogmes, elle est aussi source de liberté.

Par André Brahic, professeur d'astrophysique.
Astrophysicien au Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA).

Crédit : © Universite de tous les savoirs.

Note à la fin du texte: Des informations texte beaucoup plus complètes se trouvent dans l'ouvrage « Enfants du Soleil » publié en 1999 par les éditions Odile Jacob.
Quelques passages du texte ci-dessus sont extraits de cet ouvrage.
Pages en couleur: Récupérer sur les pages en couleur du livre « Enfants du Soleil » les figures suivantes:
- sur une première page (ou une demi page) :page VIII: comète et astéroïde (en haut et en bas), page XIII: anneaux (en haut)
- sur une demi page: page XIV (en haut à droite, au milieu à gauche et en bas à droite) et XV (cette): l'Aigle, le nuage de poussière, le cocon, HR 4796 et le disque et les jets. Je peux raccourcir les légendes.
Note de bas de page : Résumé de la 189ème conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 7 juillet 2000

Histoire de nos origines

 

Big-bang Origine de l'Univers

Un éclair… Un instant… Un lieu infinitésimal… Le laps de temps le plus court et le morceau d'espace le plus petit que l'on puisse imaginer… Ce battement de cil primordial quantique et relativiste, pire des déchirements conceptuels a déchaîné les forces de la nature. L'espace, le temps et la matière ont surgi. Les quatre interactions universelles électromagnétique, forte, faible et gravité - étaient réunies sous le sceau d'une seule force, qui se propage en cordes élémentaires dans un espace à… 10 ou 11 dimensions ! Les particules n'existaient que comme excitations harmoniques de ces cordes. Puis soudain, l'espace soumis à une tension, torture, fluctuation irrépressible de sa courbure s'est étendu à tout va. Et l'Univers fut, hautement symétrique et unitaire au début il mena, après une longue suite des transitions de phases, aux atomes et aux galaxies.

Big-bang : description de l'origine ou modèle de l'évolution de l'Univers ?

Depuis le début il y a eu une ambiguïté, un malentendu, entre les scientifiques et le grand public concernant le modèle du Big-bang. Le grand public comprend Big-bang comme une description de l'origine de l'Univers. Les scientifiques au contraire appellent Big-bang la suite des étapes de l'évolution de l'Univers, depuis un état chaud, dense et très concentré jusqu'à aujourd'hui. Cet état est suffisamment proche de l'origine mais N'EST pas l'origine. La quête pour l'origine de l'Univers se fait de proche en proche, en améliorant avec le temps nos connaissances théoriques et la sensibilité de nos instruments : télescopes et accélérateurs.

Il faut des télescopes pour voir loin, et la relativité nous enseigne que voir loin veut dire voir en arrière dans le temps. Ceci est devenu presque une connaissance commune. Mais les accélérateurs ? Quel rôle jouent-ils dans cette quête de l'origine ? La réponse est simple : si l'Univers est en expansion, quand on regarde loin dans l'espace on regarde aussi vers les époques où l'Univers était beaucoup plus petit. En extrapolant vers le début des temps on arrivera à des époques où l'Univers avait des dimensions de la taille de l'atome et jusqu'à des fractions infinitésimales des dimensions de l'atome. Les densités d'énergie sont alors énormes, elles ne peuvent se produire qu'en accélérateurs. Les accélérateurs reproduisent l'histoire de l'Univers en laboratoire.

C'est ainsi que la phrase tant fois répétée de convergence de la recherche de l'infiniment petit avec l'infiniment grand dans la cosmologie moderne peut se comprendre. On pourrait alors, au lieu de dérouler le fil du temps comme on fait dans ce saga science, scruter dans l'abîme des subdivisions de la matière et de l'espace et décrire la folle aventure des particules… Comme dans les Mille et une nuits, la saga des dimensions de la matière est maintenant une des histoires de la saga du temps. Mais on pourrait choisir, inversement, de décrire la saga du temps comme un conte auxiliaire de la saga de l'extension spatiale de la matière.

Avertissement au lecteur, un récit pas comme les autres.
Qui dit saga dit récit. La science est en train d'écrire ce récit à l'aide de théories et d'instruments de mesure. Mais tous les éléments de ce récit ne sont pas au même niveau de certitude. Il y a des parties mille fois recoupées par des mesures concordantes, et d'autres qui en sont encore au stade de la pure spéculation. Ces dernières font la trame du programme de recherche. Comme dans un roman policier inachevé on suit encore plusieurs pistes.

Par exemple, on sait que 400 000 ans après l'origine, l'Univers devint transparent: les particules chargées qui constituaient un plasma en interaction avec la radiation se recombinèrent pour former des atomes neutres. La lumière interagissant peu avec les atomes neutres était alors libre de se propager jusqu'à nous. La lumière libre de se propager vient jusqu'à nous. Par le rayonnement fossile on peut voir l'état de l'Univers à ce moment. Mieux encore, on peut extrapoler jusqu'aux premières minutes, le temps de formation des éléments nucléaires primordiaux. On sait qu'on vit dans un Univers plat, rempli de matière et d'énergie noire et d'une partie minuscule de matière ordinaire. Les confirmations expérimentales de ce scénario sont explicitées dans la partie Faut-il croire au Big-bang ? de ce site.

Par contre, si on veut s'aventurer plus près de l'origine, on entre dans le domaine de la science en train de se faire. La science non comme un récit mais comme un geste, le geste du doute systématique, de l'élaboration théorique et surtout de l'expérimentation. La partie Outils décrit les instruments mis en place pour ce travail et la partie Enigmes donne la parole aux scientifiques pour exprimer les questionnements qui muent cette recherche interdisciplinaire, où physiciens théoriciens, astrophysiciens, physiciens des particules, physiciens nucléaires et biologistes collaborent.

Les spéculations de l'origine, l'ère de Planck

Revenons à cette origine, en deçà de la première minute, là où on n'a que des hypothèses et pas de connaissances confirmées. On doit expliquer la formation des protons et des neutrons à partir des quarks, savoir pourquoi la matière a gagné sur l'antimatière, sonder si les forces étaient unifiées, connaître la nature de la matière noire et de l'énergie noire. On a des boussoles théoriques et on les teste dans les expériences de physique des particules. On essaie de raccorder avec les trouvailles extraordinaires des télescopes les plus puissants.

Mais dès qu'on approche le temps 10-43 seconde on tombe sur le point de fuite de notre perspective, en analogie complète avec les tableaux faits selon les règles de la perspective. Le point où les rapports analogiques s'estompent, où la singularité apparaît.

Pour l'approcher, il faudra inventer des nouvelles théories. En fait, si près de l'instant zéro - moment primordial où rien de ce que nous connaissons, matière, temps, espace, n'existait - se présente comme le lieu de tous les mystères. C'est le point où la relativité générale d'Einstein - l'une des doctrines physiques les plus solides et les mieux vérifiées par l'expérience - perd de son sens. Les effets de la mécanique quantique - l'autre grand édifice du XXe siècle - s'appliquent de plein droit. Ils disloquent la courbure de l'espace et du temps. Si bien qu'aucun mot, aucun vocabulaire, ne dépeint avec rigueur ce qui s'est tramé. Le défi est à la mesure de l'immensité. Les concepts manquent. Les outils mathématiques sont à inventer.

On appelle cette zone de méconnaissance et d'ignorance, l'Ère de Planck. Elle porte le nom du physicien allemand, prix Nobel 1918, qui fut l'un des pionniers de l'idée selon laquelle le cosmos évolue en échangeant l'énergie en forme de quanta. D'ailleurs, plus tard, le chanoine belge Georges Lemaître aura l'intuition d'un Univers primitif réduit à un unique atome d'énergie. Sa durée de vie vaut 10-43 seconde, un dix millionième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde ! C'est la période la plus infime dont on puisse apprécier l'étendue. Au-delà de toute limite technologique, l'infiniment petit et l'infiniment grand se rejoignent. Il règne une température colossale de 1032 degrés: cent mille milliards de milliards de milliards de degrés… Des particules et des antiparticules éphémères apparaissent et disparaissent sans cesse. On parle de particules virtuelles. Elles portent, chacune, un million de fois l'énergie d'une balle de fusil - un milliard de joules, 1028 électronvolts - ou la puissance produite en une seconde par une centrale nucléaire. Et des trous noirs évanescents font irruption avant de s'évaporer aussitôt.

Cordes et espace à 10 dimensions

Pourtant, quelques esprits audacieux s'aventurent à formuler des théories très spéculatives. Selon la vision la plus en pointe, la manière la moins incertaine d'approcher de manière approximative cette époque est la suivante. Les quatre forces d'interactions universelles auxquelles nous sommes soumis se trouvaient fondues en une seule super force: la supergravité quantique. Temps, espace, matière et énergie étaient indiscernables. Puis soudain, une gigantesque fluctuation a fait sentir sa vigueur. Pourquoi ici, plutôt que là-bas ? Nul n'en sait rien. Selon certains, le cosmos essaie tous les possibles. Et l'Univers que nous habitons a comme mérite d'avoir été retenu par la sélection naturelle de la vie… Il ne serait, en définitive, que l'un des nombreux représentants de la multitude imaginables. Ailleurs, existent peut-être d'autres Univers-bulles inscrits dans un multivers. Toujours est-il qu'à l'instant crucial notre futur berceau, agité de distorsions, de courbures incontrôlables, s'est mis à enfler de manière démesurée. Cet espace n'a peut-être pas de bords ni de frontières tangibles. Ses dimensions pourraient d'ores et déjà s'avérer infinies. Mais sa densité est inconcevable. Il n'y a aucun lieu privilégié. L'expansion de l'espace se produit partout, dans toutes les directions à la fois, en même temps et au même rythme. Jusque-là le temps n'existait pas vraiment. Sa grandeur ne pouvait être clairement distinguée de celle de l'espace. Puis soudain, sa flèche a commencé à s'écouler. Du passé vers le futur. Et les fractions de seconde se sont égrenées…

Pas de particules élémentaires à ce stade. La matière n'a pas encore pris corps. Les précurseurs, croit-on, seraient des cordes soumises au règne de la supergravité. Elles se propagent dans un espace à 10 ou 11 dimensions. Puis, les particules se forment et les dimensions supplémentaires - au delà des quatre usuelles ; trois d'espace et une de temps - s'enroulent sur elles-mêmes de manière serrée. De sorte qu'elles deviennent cachées et indiscernables. Seuls de nouveaux instruments, sensibles à la gravitation, ainsi que les accélérateurs en construction (LHC) ou futurs pourront tenter de les sonder ou de les explorer. Plus de la moitié de cette réalité, si elle existe, nous échappe. Indicible…

Mais ce n'est pas le seul scénario, d'autres parlent de notre monde comme d'une membrane à 3 dimensions flottant dans un espace à plusieurs dimensions, ce qu'on appelle origine n'est qu'une collision d'une membrane de ce type avec une autre dans cet espace pluridimensionnel. Des folles spéculations ? Oui, mais elles ont les caractéristiques de la science, car les expériences à venir, par exemple en ondes gravitationnelles, vont pouvoir scruter le temps plus près de l'origine. Ils pourraient entendre le murmure de l'origine, départager ces scénarios.

Un principe boussole, le principe de symétrie

Vous l'avez compris, décrire l'origine n'est pas commencer par le plus simple. L'origine implique déjà tous les développements ultérieurs. Les Grecs utilisent le mot arche (à la racine par exemple du mot archétype) qui dénote autant origine que principe. Un principe qui règle le cours des choses. Le philosophe Leibnitz (1646-1716) a dit qu'il suffisait d'un principe pour créer l'Univers à partir de rien. Les règles du déploiement font partie intégrante de ce qui commence. Et ceci doit être surtout vrai pour une théorie cosmologique. Il y a d'un coté les lois de la physique qui règlent le déploiement de l'Univers et de l'autre les conditions initiales de l'Univers. Une théorie cosmologique scientifique doit inclure en son sein la description de ces conditions initiales. A la différence des récits cosmologiques antérieurs, produits par exemple par les différentes religions, il faut qu'elle évite de postuler des conditions initiales spéciales pour expliquer ce qui a suivi.

Là où les cosmologies antiques postulent des éléments primordiaux (eau, air, infini) dont les transformations font le visible, les cosmologues d'aujourd'hui sont guidés par des principes de symétrie (d'espace temps, des espaces internes, de phase etc.) Pourquoi ériger la symétrie au statut de principe tout puissant ? Parce que, au-delà de sa beauté esthétique, un état symétrique peut arrêter la chaîne des questionnements causals. Pourquoi ceci ? A cause de cela. Alors pourquoi cela ? etc…

Les anciens se demandaient Pourquoi la Terre ne tombe pas ? Pourquoi reste-t-elle ici plutôt que là ? Et Anaximandre répondait: la Terre reste là où elle est car elle n'a pas où aller, où tomber. Il n'y a pas de lieu privilégié, les différents lieux se valent. Un principe de symétrie est aussi un principe d'indifférence. Voilà un principe de symétrie, principe cosmologique avant la lettre.

Aujourd'hui, en répétant ce geste dans nos théories, on fait commencer l'Univers par un état maximal de symétrie. Par exemple, les théories de cordes ont l'ambition de comprendre pourquoi l'Univers a 4 dimensions et pas plus ou moins, à travers une série d'arguments de type symétrique. Et le monde bigarré d'aujourd'hui, comment est-il venu de cet état primordial de symétrie maximum ? La réponse donnée jusqu'ici est simple, par une série de brisures de cette symétrie. Rêve unitaire irréaliste ou vraie intuition de la composition de l'Univers ? Le futur tranchera.

Crédit : http://www.cnrs.fr
CNRS : © La saga du Big Bang

 

 

 

Le Big-bang

Si les modèles de Big-bang sont l'expression de notre cosmologie contemporaine, la discipline est loin d'être nouvelle: aussi loin que l'on remonte dans l'Antiquité, les regards et les pensées sont tournés vers le Ciel, le Monde, le Cosmos, l'Univers,… Concernée par l'Univers dans son ensemble, la cosmologie nous indique sans doute quelque chose sur la place que nous y occupons. Aujourd'hui, la cosmologie est devenue une science.

On fait le plus souvent remonter l'origine de la science moderne à l'époque de Galilée et Newton. La cosmologie scientifique prend naissance au même moment. Le vingtième siècle bouleversera cette cosmologie scientifique en lui conférant un caractère relativiste, et en la concrétisant sous forme de modèles, en particulier la famille des modèles de Big-bang. Il ne s'agit pas d'un modèle unique, d'une vision totalement figée de l'Univers et de son évolution, mais plutôt d'un ensemble de descriptions possibles, partageant des caractéristiques communes, mais aussi des différences. Une grande part du travail actuel des astrophysiciens et des cosmologues consiste, précisément, à examiner, au sein de la classe des modèles de Big-bang, lesquels semblent décrire le mieux notre Univers. Ils vérifient également sans cesse, avec jusqu'à présent des succès toujours grandissants, la validité de cette classe de modèles.

L'Univers

Le concept d'univers, tel que nous le concevons aujourd'hui, constitue l'objet même de la cosmologie. Mais il ne remonte pas plus tôt que le XVIIe siècle, le moment où l'unité du Monde fut reconnue et admise. Deux millénaires plus tôt, Platon qualifiait le Monde de Cosmos, insistant ainsi sur son harmonie (à la source étymologique du terme grec). L'Antiquité décrivait un monde très différent du nôtre : hiérarchisé plutôt que unifié, d'extension très petite et bien moindre que ce que nous concevons aujourd'hui puisque limitée au système solaire. Ce monde se constituait d'un emboîtement hiérarchique de sphères, centrées sur la Terre située au centre du monde : sphères de la Lune, du Soleil, des planètes, jusqu'à la Sphère des Fixes, portant les étoiles (fixes). Celle-ci constituait la frontière du Monde, fini, borné.

Ces idées, développées essentiellement par Platon et Aristote et mises en suivre par de nombreux mathématiciens, géomètres et astronomes, ont régné pendant près de deux millénaires. D'origine pythagoricienne, l'idée de la prééminence du cercle et de la sphère fut reprise et promue par Platon. Ces figures hautement symétriques ont joué un rôle déterminant, conforme à la nécessité de décrire le monde harmonieux de manière harmonieuse. Le dogme a tenu deux mille ans, tous les mouvements célestes devant être décrits par des combinaisons de sphères et de cercles en rotation, jusqu'à ce que Johannes Kepler découvre la nature elliptique des orbites planétaires. L'événement, à la charnière des XVIe et XVIIe, constitue l'un des ingrédients essentiels d'une première révolution cosmologique. Cet ample mouvement débute après la Renaissance (avec de nombreux précurseurs comme Nicole Oresme, Nicolas de Cuse…) et se poursuit jusqu'à la fin du XVIIe siècle. Newton y porte la touche finale avec ses Principia qui synthétisent les travaux de nombreux précurseurs (Giordano Bruno, Nicolas Copernic, Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galilée…). Il établit ainsi les bases de la mécanique, de l'astronomie, de la cosmologie, et fonde la physique moderne.

L'univers du XVIIe est devenu beaucoup plus vaste que celui de l'antiquité. Il ne s'arrête pas à la Sphère des Fixes, ne se réduit pas au système solaire: les étoiles ne sont pas toutes à la même distance de nous mais se répartissent dans tout l'espace. Copernic déplace le centre du Monde de la Terre vers le Soleil, mais Newton niera l'idée même d'un centre du Monde. Telle est notre conviction actuelle : dans le Monde dépourvu de tout centre, tous les points sont équivalents, aucun n'est particulier. Le Monde - l'Univers en tant que Monde unifié - est homogène. Cela signifie que tous les points sont équivalents dans un Univers, et que les lois physiques sont donc partout et toujours identiques. Cette idée d'universalité (des lois physiques, des mouvements, de la composition de la matière) rend tout simplement possible la physique, et l'astrophysique. L'universalité, le concept d'univers, garantit que le résultat d'une expérience menée là-bas est identique à celui d'une expérience menée ici ; que les résultats seront encore les mêmes si je mène l'expérience demain. Une telle reproductibilité fonde la possibilité de faire de la physique.

L'idée d'univers, comme tant d'autres idées nouvelles émises à cette époque, va à l'encontre des conceptions aristotéliciennes: plus de centre du Monde, plus de position privilégiée de la terre, plus d'espace borné, clos, plus de mouvements circulaires. L'Univers n'est plus constitué de quatre éléments (la terre, l'eau, l'air et le feu) mais de petites particules (retour à l'atomisme). Sa composition est universelle comme le vérifieront les astrophysiciens au XIXe : l'Univers est bien … un univers. La matière est la même sur terre, dans les étoiles, dans les galaxies, dans le vide interstellaire, etc. Les lois de la gravitation, l'électromagnétisme, la physique quantique, la relativité, s'y appliquent pareillement.

Espace, temps, espace-temps

Newton énonce, et c'est essentiel, les propriétés de l'espace et du temps. Ce cadre immuable de la physique est identifié à l'Univers vu d'un point de vue géométrique. La physique newtonienne ira de succès en succès pendant trois siècles, et reste encore aujourd'hui très efficace pour de très nombreux problèmes. Ce sont des difficultés purement conceptuelles, et non pas observationnelles ou expérimentales - rien ne remet en cause la pertinence de cette théorie pour prédire ou interpréter tous les résultats observés -, qui conduisent à sa remise en cause au début du XXe siècle, et à l'introduction des théories relativistes. En 1917, la Relativité Générale renouvelle fondamentalement la cosmologie. Quelques décennies plus tard, se mettront en place la physique quantique, volet complémentaire de la physique du XXe siècle.

Ce début de XXe siècle voit donc un renouveau total de la physique, qui provoquera une seconde révolution cosmologique fondée à la fois sur la nouvelle théorie de la Relativité générale et sur de nouveaux résultats observationnels. La cosmologie moderne, relativiste, et en particulier les modèles de Big-bang, n'auraient pas vu le jour sans cette conjonction remarquable entre nouvelles théories (introduites, j'insiste, pour des raisons purement conceptuelles) et nouveaux résultats d'observations dus à l'introduction de grands télescopes, l'utilisation de la photographie et de la spectroscopie (ceci permettant d'étudier des objets très peu lumineux, et donc très éloignées tels que galaxies, quasars,…). Cette convergence entre théorie et observations permit le développement d'une nouvelle cosmologie, aboutissant à la construction des modèles de Big-bang.

Le grand Univers

Depuis la fin du XIXe siècle, un Grand Débat occupait la communauté astrophysique, à propos de l'extension de notre Univers. Après la Renaissance, les philosophes de la nature avaient compris qu'il s'étendait beaucoup plus loin que le système solaire, les étoiles se répartissant à des éloignements divers et très importants. Il devenait possible d'envisager un univers très grand, voire même infini comme l'avaient imaginé quelques précurseurs dont Giordano Bruno. À la fin du XIXe siècle, de nombreux dénombrements d'étoiles font comprendre aux astronomes que notre système solaire (l'étoile Soleil entourée de ses planètes) n'est qu'une zone minuscule au sein d'un rassemblement d'étoiles beaucoup plus vaste: notre galaxie, la Voie Lactée, comprend des dizaines ou des centaines de milliards d'étoiles. Les astronomes en dessinent les contours, y situent notre système solaire. La plupart estiment, à l'époque, que notre galaxie constitue la totalité de l'Univers. Au-delà de notre galaxie, il n'y aurait rien : du vide mais pas de matière, pas d'étoiles. Pourtant, certains avaient déjà soupçonné qu'il y avait peut-être autre chose, bien au-delà. Parmi eux, le philosophe Emmanuel Kant avait par exemple suggéré, dès la fin du XVIIIe siècle, l'existence d'autres univers-îles. En visionnaire, il anticipait notre vision d'un Univers constitué d'un rassemblement de galaxies, semblables en effet aux îles d'un archipel au milieu de l'océan.

Ces questions suscitèrent des débats de plus en plus virulents à la charnière des deux siècles. Les arguments présentés par les opposants aux univers-îles semblaient très convaincants, mais il apparut par la suite qu'ils reposaient sur des résultats d'observations erronés. Le débat fut définitivement tranché en 1924 grâce aux observations menées par l'astronome américain Edwin Hubble. Utilisant les grands télescopes à sa disposition, il réussit à montrer qu'un objet céleste, appelé à cette époque la Grande Nébuleuse d'Andromède, se situait en dehors de notre propre Galaxie, et même très loin d'elle: il devenait évident que l'Univers s'étendait bien au-delà de notre Galaxie, qu'il était immense, beaucoup plus grand que la Voie Lactée. Et il se révélait peuplé d'innombrables galaxies : la nébuleuse d'Andromède (appelée aujourd'hui galaxie d'Andromède) est l'une d'elles, à-peu-près analogue à la nôtre mais située à des millions d'années-lumière. Par la suite, les astronomes en ont découvert des milliers, des millions, peut-être bientôt des milliards. Ainsi, en 1924, l'Univers est brusquement devenu extrêmement grand, nous ne savons toujours pas aujourd'hui jusqu'à quel point. Nous ne savons même pas si l'espace est fini ou infini. La Relativité Générale, fondée sur une géométrie nouvelle particulière, dite non euclidienne, permet un Univers de volume et de circonférence finis, mais dépourvu de toute limite.

Expansion relativiste

L'Univers est donc immense, constitué d'innombrables galaxies. Mais ce n'est qu'un premier aspect de la révolution cosmologique en cours. Toute une série d'observations remontant à la fin du XIXe siècle, effectuées essentiellement par l'astronome américain Vesto Slipher, suggèrent un mouvement apparent et global de toutes les galaxies. Bien plus, des régularités surprenantes se manifestent : toutes s'éloignent, aucune ne se rapproche (les très rares exceptions n'ont guère d'importance dans ce schéma). Enfin, moins les galaxies sont lumineuses (et donc, plus elles sont lointaines), plus elles semblent s'éloigner rapidement. Cela dévoile une sorte de mouvement d'expansion, dont l'extension, la régularité et les propriétés, dépassent de loin l'échelle des galaxies. Les astronomes comprennent rapidement qu'il s'agit d'un phénomène d'échelle cosmologique (impliquant l'Univers dans son ensemble et non pas telle ou telle de ses parties) mais ils ne savent pas l'interpréter. Découverte de manière empirique, cette expansion restait encore en 1929 un mystère complet pour les astronomes, lorsque Hubble énonça sa fameuse loi de Hubble qui déclare que la vitesse d'expansion d'une galaxie est proportionnelle à son éloignement. La solution avait en fait déjà été trouvée en 1927 par le physicien belge Georges Lemaître (qui avait énoncée la loi de Hubble) mais elle ne fut portée à la connaissance de la communauté astronomique qu'en 1930 (voir xxx). Lemaître avait trouvé la solution du problème cosmologique, en montrant que les équations de la Relativité Générale impliquent que l'Univers doit être en expansion ou en contraction. Ayant eu connaissance des premiers résultats observationnels de Slipher, il les avait interprétés comme une manifestation de cette expansion de l'Univers comprise dans un cadre relativiste.

Le résultat initial de Lemaître, publiés en 1927 dans une revue belge, n'ayant eu quasiment aucun écho, les cosmologues se demandaient encore, en 1930, comment interpréter les résultats de Slipher et de Hubble. En 1931, Georges Lemaître envoya une copie de son article à son ancien professeur Arthur Eddington. Ce dernier, le publiant de nouveau, lui donna la publicité qu'il méritait. L'expansion de l'Univers fut alors comprise et admise par la majorité de la communauté astronomique (il est à signaler que le physicien soviétique Alexandre Friedmann avait trouvé dès 1922 les mêmes solutions de la relativité générale, néanmoins sans les relier aux résultats observationnels) : le mouvement observé des galaxies, si régulier, d'extension si grande, est bien de nature cosmique, et relativiste. Il est impossible de l'imputer à une cause locale : ce sont ne sont pas les galaxies qui s'attirent ou se repoussent par leurs interactions. Il s'agit d'une propriété de l'Univers lui-même, parfaitement comprise et interprétée dans le cadre de la Relativité Générale.

Cette théorie énonce essentiellement deux points extrêmement nouveaux. Le premier (déjà présent en relativité restreinte) implique de mêler l'espace et le temps dans une entité plus globale que l'on appelle l'espace-temps. Deuxième point, la géométrie de cet espace temps peu être déformée, posséder une courbure, une topologie, et elle peut varier dans le temps. En fait, la nouvelle géométrie spatio-temporelle fait apparaître toute modification des propriétés de l'espace dans le temps comme une courbure de l'espace-temps. C'est un avantage de cette approche : ce que l'on considérait comme une variation dans le temps, est maintenant considéré comme un pur effet géométrique, dans la géométrie étendue incluant la dimension temporelle. Parler de la géométrie de l'espace-temps, c'est donc parler à la fois de la géométrie de l'espace et de son évolution dans le temps. Dans ce cadre, l'expansion cosmique (de l'espace) apparaît comme un aspect géométrique de la géométrie de l'espace-temps.

Les galaxies ne sont pas en mouvement dans l'espace. Mais l'espace lui-même est en expansion, entraînant les galaxies comme le courant d'une rivière peut entraîner des bateaux dont les moteurs sont à l'arrêt. Ces derniers sont immobiles par rapport à l'eau ; de même, les galaxies sont immobiles, ou plutôt comblés, par rapport à l'espace qui les entraîne. Si l'on ne peut voir directement un tel courant d'espace, la Relativité prévoit un tel phénomène et lui donne un sens: l'espace est en expansion, la découverte observationnelle a coïncidé avec l'invention de la Relativité qui offre un cadre théorique pour l'interpréter.

Une fois l'expansion reconnue, il reste à en tirer les conséquences physiques. Là encore, Georges Lemaître fut un précurseur, avec son modèle de l'atome primitif (1931) qui en tire les conséquences physiques sur l'histoire de l'Univers. On ne connaissait encore, à l'époque, ni la physique nucléaire ni la physique des particules, et à peine la physique quantique, aussi ces idées restaient encore vagues. Mais ces modèles, retravaillés, réajustés, sont finalement devenus les modèles de Big-bang. À l'époque, les idées de Lemaître, impossibles à tester, ne suscitèrent que très peu d'intérêt. Dès le début, elles suscitèrent même une certaine hostilité. Le recul historique montre aujourd'hui l'aspect dogmatique (encore parfois présent) d'une bonne part des critiques contre le Big-bang, résultant de la difficulté de remettre en cause une idée établie depuis des siècles, quasiment mythique : celle d'un monde éternellement identique à lui-même, sans évolution. Des opposants aux Big-bang ont tenté de soutenir, sans doute au-delà du raisonnable, un modèle cosmologique selon lequel l'Univers resterait toujours identique à lui-même (état stationnaire), alors que les observations nous montrent de plus en plus clairement l'expansion et l'évolution des galaxies. Ces modèles, originellement intéressants et astucieux, ne purent résister à la confrontation aux observations. D'autres esprits critiques, parfois les mêmes, soulignaient une ressemblance entre les idées de Lemaître et le Fiat Lux des Écritures. De ce fait, ils accusaient Georges Lemaître, simultanément physicien et prêtre catholique, de concordisme : n'aurait-il pas introduit ses convictions religieuses dans la physique ? Il faut pourtant rendre justice à Lemaître qui s'est constamment défendu de cette accusation. Les bases scientifiques des modèles de Big-bang ont été affermies d'autant plus soigneusement qu'elles ont été fortement critiquées.

L'intérêt pour les modèles de Big-bang renaît dans les années 1940, avec le début du développement de la physique nucléaire. Les physiciens nucléaires comprennent que, selon ces modèles, l'Univers a dû passer par un état très dense, très chaud et très concentré, idéal pour le déroulement de réactions nucléaires. Puisque ces dernières fabriquent des éléments chimiques, ne serait-il pas possible que tous les éléments chimiques que l'on rencontre dans l'Univers - fer, azote, oxygène, carbone, etc. - aient été fabriqués durant les instants très reculés de l'Univers, selon le modèle du Big-bang chaud ? La réponse est en fait négative, nous le savons maintenant, car ces éléments n'ont pas eu le temps de se former. Cependant, les plus légers d'entre eux (le deutérium, l'hélium et le lithium en partie), ont sans doute bien été fabriqués de cette manière, lors d'un épisode de nucléosynthèse primordiale caractéristique des modèles de Big-bang. Nous en avons aujourd'hui la conviction car les distributions universelles de ces éléments sont en accord avec les prédictions de ces modèles.

L'intérêt pour ces modèles a repris de nouveau dans les années 1960. Effectuant de nouveaux calculs de réactions nucléaires, quelques physiciens de Princeton ont pu prédire que, si l'histoire de l'Univers s'est effectivement déroulée conformément aux modèles de Big-bang, il doit subsister aujourd'hui des vestiges d'un passé très reculé - l'époque où l'Univers était très chaud et très condensé - sous la forme d'un rayonnement fossile observable. Ce rayonnement électromagnétique devrait baigner tout l'Univers d'ondes radio.

En 1964, alors que ces physiciens de Princeton commençaient à construire un appareillage pour tenter de le détecter, deux collègues radioastronomes de la compagnie Bell Telephone (Penzias et Wilson, qui reçurent pour cela le prix Nobel) le découvrent fortuitement en testant une antenne destinée à la radioastronomie. L'ayant tout d'abord interprété comme un parasite gênant à éliminer, ils conclurent finalement à l'existence d'un rayonnement omniprésent. Ses propriétés, rapidement mesurées, se révélèrent en accord avec les prédictions des modèles de Big-bang. Ces derniers furent alors acceptés par une large fraction (mais pas la totalité) de la communauté scientifique.

Les fondements du Big-bang

Les modèles de Big-bang sont quasiment inévitables. Les observations astronomiques et les lois physiques que nous connaissons nous y mènent de manière quasiment inéluctable. Il s'agit en premier lieu de la constatation de l'immensité de l'Univers fait de galaxies, confirmée depuis 1924 par d'innombrables observations de galaxies lointaines, avec des télescopes toujours plus puissants.

Les cosmologues énoncent un principe fondamental, le principe cosmologique. Exprimant l'abandon définitif des conceptions pré-coperniciennes, il énonce l'équivalence de tous les points : pas de centre, pas de bords. L'Univers est homogène, d'une homogénéité qui prend son sens à l'échelle cosmologique: il peut y avoir une galaxie ici, et pas à côté. Mais aux très grandes échelles, dépassant celles des amas ou des superamas de galaxies (soit plusieurs dizaines de millions d'années-lumière, mais ceci est bien inférieur aux échelles cosmologiques) il n'y a pas de zone où les galaxies soient plus ou moins nombreuses, ou différentes. Ce principe s'oppose à toute conception anthropique ou géocentrique. Il énonce également que l'Univers est isotrope: non seulement il n'y a aucun point particulier, mais aucune direction particulière non plus: pas de haut et de bas, pas de centre de l'Univers, donc pas de direction vers un centre, pas d'axe de rotation. En l'absence d'indices suggérant le contraire, ce principe est adopté pour construire les modèles cosmologiques.

Cependant, le fondement essentiel des modèles de Big-bang reste l'expansion de l'Univers. Elle se fonde sur ce que l'on appelle l'effet Doppler: lorsqu'un objet (une source) émet un rayonnement, nous voyons ce rayonnement resserré (c'est-à-dire avec une fréquence plus grande) si l'objet se rapproche, ou desserré (avec une fréquence inférieure) si la source s'éloigne. Lorsqu'une étoile ou une galaxie émet de la lumière (un type particulier de rayonnement, dans le domaine électromagnétique) qui parvient jusqu'à nous, cette lumière est décalée à une longueur d'onde plus petite ou plus grande (vers le bleu ou vers le rouge) si la source se rapproche ou s'éloigne de nous. C'est exactement ce que l'on observe : un décalage vers le rouge d'autant plus prononcé que la galaxie est éloigné. Dans le spectre d'une galaxie, c'est-à-dire dans la décomposition de la lumière qu'elle a émise, les astronomes savent parfaitement reconnaître un éventuel décalage, vers le rouge ou vers le bleu (on le mesure à partir de certaines raies présentes à des longueurs d'onde bien définies). C'est ainsi que, depuis Vesto Slipher, les astronomes mesurent les vitesses des galaxies et établissent l'expansion de l'Univers. Quelques physiciens et astrophysiciens ont contesté cette interprétation, mais ils n'ont pas réussi à proposer d'autre explication satisfaisante. L'expansion de l'Univers est donc très fermement établie.

D'autres ont suggéré que l'évolution de l'Univers pourrait être gouvernée par autre chose que la gravitation. Pourtant, toutes les autres interactions connues, par exemple électromagnétiques, sont de portée très limitée. L'univers semble donc bien gouverné par la gravitation, elle-même décrite par la théorie de la relativité générale (cette dernière hypothèse est aujourd'hui discutée: même si les analyses du système solaire et de certains systèmes astrophysiques la confirment [1], il n'est pas définitivement prouvé qu'elle s'applique à l'échelle de l'Univers entier. Mais aucune autre théorie n'existe actuellement et il reste raisonnable d'admettre sa validité. Au demeurant, l'adoption d'une théorie concurrente ne modifierait sans doute pas les caractéristiques essentielles des modèles de Big-bang).

La relativité générale décrit l'Univers comme un espace-temps, muni de propriétés géométriques (courbure en particulier) qui incluent l'évolution temporelle. Selon la relativité générale, ces propriétés géométriques dépendent, par les équations d'Einstein, du contenu en énergie de l'Univers. Par exemple, la matière massive contribue à ralentir l'expansion. Selon que l'Univers en contient plus ou moins (en moyenne), c'est-à-dire qu'il est plus ou moins dense, l'expansion se ralentira plus ou moins (il est même possible d'envisager qu'elle s'accélère).

Admettant la Relativité Générale et la physique bien établie (électromagnétisme, physique atomique, thermodynamique, physique nucléaire, astronomie etc.) on est inévitablement conduit aux modèles de Big-bang. Pour les contester, et décrire l'Univers par un autre modèle (qui resterait à trouver), il faudrait remettre en cause des pans entiers de notre physique d'aujourd'hui. Par exemple, les partisans des modèles stationnaires avaient dû supposer des phénomènes physiques nouveaux: présence de particules de masses négatives, création spontanée de matière (à partir de rien). Aujourd'hui, seuls les modèles de Big-bang réussissent à décrire ce que nous observons, toutes les propositions de modèles concurrents ayant été démenties par l'expérience. Mais peut-être un jour…

Les modèles de Big-bang

Ces modèles disent en premier lieu que l'Univers est homogène et isotrope, en expansion. Calculs et observations concordent pour établir que cette expansion de déroule sans changement notable depuis une certaine durée tU, que l'on appelle âge de l'Univers, actuellement estimé à 15 milliards d'années environ (compte tenu des incertitudes, il vaut mieux dire entre 10 et 25 milliards d'années). Cela implique, conséquence immédiate, que rien dans l'Univers ne peut être plus âgé que tU. Or, les estimations d'âges de planètes, étoiles, galaxies, donnent à peu près toutes les valeurs possibles entre 0 et 15 milliards d'années. Un succès pour le Big-bang ! En effet, si l'Univers n'est pas est lui-même âgé de quinze milliards d'années, comment comprendre que nous n'observons aucune étoile ou galaxies d'un âge supérieur ?

À cause de l'expansion, la matière cosmique se trouve dans des volumes de plus en plus grands. Autrement dit, elle se dilue et donc, en conformité avec les lois de la physique, se refroidit. En même temps, dilution et refroidissement sont accompagnés d'une lente structuration. Ainsi, les modèles de Big-bang énoncent l'histoire d'un Univers en expansion depuis quinze milliards d'années, en dilution, en refroidissement et qui se structure.

Plus on remonte dans le passé, plus l'Univers était concentré et chaud, moins il était structuré. Il est aujourd'hui peuplé d'objets structurés, aussi bien au niveau microscopique - atomes, molécules, cristaux - qu'au niveau astronomique: des étoiles, des galaxies, des planètes. Rien de tout cela n'existait dans l'Univers primordial. Les modèles de Big-bang permettent de reconstituer l'évolution passée de l'Univers par l'application des lois de la physique. Cela conduit à distinguer deux époques : l'Univers primordial correspond au premier million d'années ; l'ère de la matière qui suit est beaucoup plus longue et dure à-peu-près quinze milliards d'années. Bien que beaucoup plus court, l'Univers primordial fut le siège de nombreux phénomènes d'importance cosmique.

La limite entre ces deux périodes est marquée par une transition, événement très important appelé recombinaison. L'Univers primordial (premier million d'années) était opaque au rayonnement électromagnétique : on ne pourra jamais rien observer directement de cette période. On ne peut que le reconstituer en appliquant les lois de la physique, ce que font les modèles de Big-bang. C'est durant l'Univers primordial que furent fabriqués d'abord les particules élémentaires, puis les noyaux atomiques les plus légers. À la fin, précisément au moment de la recombinaison, furent fabriqués les premiers atomes proprement dits. L'Univers primordial était baigné de rayonnement électromagnétique, dont l'énergie dépassait alors de beaucoup celle de la matière (alors qu'aujourd'hui l'énergie du rayonnement est mille fois inférieure à celle de la matière). Les atomes n'étant pas encore formés, il n'existait dans l'Univers primordial aucune structure, hormis quelques noyaux d'atomes.

La recombinaison marque le moment où l'Univers devient transparent. Tout ce que les astronomes sont capables d'observer se situe donc plus tardivement. La recombinaison est elle-même un événement très intéressant car c'est à ce moment-là que fut émis le fameux rayonnement diffus cosmologique, que nous observons tout autour de nous, dans toutes les directions : nous avons l'impression d'être au centre d'une gigantesque sphère brillante de luminosité (en ondes radio) uniforme. Au-delà de cette surface, réside l'Univers opaque inobservable (à cause de la vitesse finie de la lumière, cet au-delà possède une signification à la fois spatiale et temporelle). Les plus récentes observations ont montré que l'intensité de ce rayonnement est parfaitement identique dans toutes les directions du ciel, à quelques millionièmes près. C'est l'un des arguments forts qui montre qu'il ne peut avoir été engendré que dans le cadre des modèles de Big-bang. En plus de cette remarquable uniformité, il se caractérise par une répartition en énergie extrêmement particulière: un spectre de corps noir, bien connu des physiciens, qui manifeste une situation d'équilibre thermique. L'observation du fonds diffus cosmologique indique donc que l'Univers dans son ensemble devait être en équilibre thermique dans un passé très reculé, exactement ce que prédisent les modèles de Big-bang. Les très nombreux résultats d'observation du fonds diffus cosmologique (dont les plus fameux par le satellite COBE) confirment de mieux en mieux l'accord exceptionnel entre la réalité et les prédictions théoriques des modèles de Big-bang.

Après la recombinaison, l'Univers entre dans l'ère de la matière, où il commence à ressembler à ce qu'il est aujourd'hui. Le rayonnement électromagnétique perd son influence au profit de la matière. Celle-ci, continuant à se diluer et à se refroidir, commence à s'organiser. Aux petites échelles spatiales, se forment des atomes (à la recombinaison), des molécules, des cristaux, des poussières… Une partie de ces objets, avec le gaz omniprésent (essentiellement de l'hydrogène) s'agglomèrent et donnent naissance aux galaxies, aux étoiles, aux planètes, aux amas de galaxies… à tous les objets que les astronomes observent dans l'Univers.

Géométrie cosmique

Telle est l'histoire de l'Univers du point de vue de la physique. Cependant, il n'y a pas un seul modèle de Big-bang, mais toute une famille dont les membres se distinguent par certaines caractéristiques de leur géométrie. D'une part l'aspect spatial de cette géométrie conduit à distinguer trois familles selon la courbure spatiale négative, nulle ou positive. Un espace à courbure positive généralise, à trois dimensions, la surface d'une sphère. Un espace à courbure nulle généralise à trois dimensions la surface d'un plan. Il existe en outre des espaces à courbure négative, moins familiers. Les trois versions sont possibles, seules les observations permettent de trancher. Les affirmations récentes selon lesquelles l'Univers serait plat correspondent à la version intermédiaire où l'espace est plat (les modèles de Big-bang se distinguent également, en principe, par leur topologie spatiale). Par ailleurs, la loi d'expansion cosmique constitue la partie temporelle de la géométrie de l'espace-temps. L'expansion indique que l'espace-temps ne peut être plat, même si l'espace peut l'être.

La relativité générale permet aussi, en principe, de prévoir le destin de l'Univers. Deux possibilités se présentent, dont nous ne savons pas encore laquelle est la bonne. Ou bien la phase d'expansion continuera indéfiniment. Ou bien elle se terminera et l'Univers débutera une phase de recontactions sur lui-même, processus inverse de l'expansion, qui mènera à une fin grosso modo symétrique au Big-bang, appelée le big crunch. Nul ne sait ce qui se passera alors, pas plus que l'on ne sait ce qui s'est passé aux tous premiers instants de l'Univers primordial. Peut-être que l'Univers rebondira pour amorcer une nouvelle phase d'expansion. Peut-être sera-ce la fin de tout, ou…

Aujourd'hui, certains indices suggèrent que l'expansion pourrait continuer éternellement, voire s'accélérer. Mais tout ceci est à prendre avec de grandes précautions car nous ne savons pas encore précisément lesquels, dans la famille des modèles de Big-bang, conviennent le mieux pour décrire notre Univers. Astrophysiciens et cosmologues s'interrogent sur la courbure et la topologie de la géométrie spatiale, sur la valeur de la constante de Hubble qui mesure le taux actuel de l'expansion, sur la forme précise de la loi d'expansion, accélérée ou décélérée, sur son futur, éternel ou débouchant sur un big crunch.

Le plus surprenant est la simplicité, notamment géométrique, de ces modèles cosmologiques fondés sur la relativité générale. Comment se fait-il que des modèles aussi simples décrivent si bien quelque chose d'aussi compliqué que l'Univers dans sa globalité ? Bien entendu, ce n'est pas aux modèles eux-mêmes qu'il faut demander la réponse à cette question. Certains l'oublient un peu facilement et critiquent les modèles à ce propos, mais il faudrait critiquer de même l'ensemble de la physique, sinon de la science. À vrai dire, tenter de comprendre pourquoi un modèle fonctionne exige de se placer dans un cadre plus général, une sorte de super-modèle, de super-théorie. Nous avons d'ailleurs d'autres motivations à cela car aujourd'hui, les deux théories physiques de base, relativité générale et (physique) quantique, sont incompatibles. Outre le malaise que cela suscite d'un point de vue conceptuel, cela interdit de décrire les trous noirs, ou l'Univers primordial. La recherche est extrêmement active, en vue d'une théorie plus fondamentale que la Relativité Générale ou la physique quantique, qui les engloberait chacune comme une approximation (tout comme la relativité générale englobe la physique newtonienne). Cela pourrait mener à une cosmologie (quantique ?) plus globale qui permettrait peut-être de comprendre l'origine du bien fondé des modèles de Big-bang. Cette nouvelle théorie reste encore inconnue même si des pistes intéressantes (cosmologie quantique, super cordes, super symétrie,…) sont explorées.

L'origine du monde ?

Je ne puis terminer sans évoquer la question de l'Origine de l'Univers, que beaucoup associent au Big-bang. Le lien n'est cependant pas si clair. L'Univers étant en expansion, toutes les dimensions cosmiques augmentent avec le temps (on repère augmentation par l'évolution temporelle d'un facteur d'échelle: toute longueur cosmique augmente avec le temps proportionnellement à ce facteur). Vers le passé primordial, ce facteur d'échelle devient de plus en plus petit, tellement qu'il semble naturel de penser qu'il y eut un moment où il était nul. Ce moment est parfois assimilé à l'origine de tout, quelquefois appelé Big-bang. À vrai dire, la physique et la cosmologie ne prédisent nullement un tel instant. Elles impliquent certes que le facteur d'échelle et toutes les longueurs cosmiques ont été très petites (en comparaison d'aujourd'hui), mais non pas nulles. On ne peut décrire aucun événement qui correspondrait à une explosion cosmique. La reconstitution vers le passé ne peut être menée jusqu'à un hypothétique instant zéro car les densités, énergie, température, très élevées de l'Univers primordial sortent du cadre de notre physique : elles impliquent qu'effets quantiques et relativistes devraient opérer simultanément, une situation que la physique actuelle est impuissante à traiter (à cause de l'incompatibilité mentionnée). Il est impossible de prolonger la reconstitution vers le passé au-delà d'une barrière de non-connaissance (aucun événement cosmique spécial identifié, mais la limite de notre ignorance). Elle est baptisée barrière de Planck, en référence à la constante de Planck qui caractérise les phénomènes quantiques.

La physique quantique implique que toute grandeur dynamique doit fluctuer. La relativité générale implique que l'espace et le temps sont des grandeurs dynamiques. Espace et temps devraient donc tous deux fluctuer, y compris à l'échelle de l'Univers entier (très ramassé à cette époque). Cela interdit par exemple de savoir si deux événements se déroulent en un même point ou non, à un même instant ou non, si l'un précède l'autre ou si c'est l'opposé. Ces questions perdent même leur sens, ce qui empêche toute approche physique. Sans espace et temps bien définis, on ne peut faire de physique. Peut-être un cadre complètement différent, encore à trouver, permettra-t-il d'opérer sans temps ni espace.

Toujours est-il que la reconstitution du passé de l'Univers ne mène à aucune origine, à aucune création. La simple logique devrait d'ailleurs nous mettre en garde contre une assimilation entre la création de l'Univers et son début temporel. Selon nos conceptions, le temps est partie constituante de l'Univers, si bien que la création de ce dernier (pour autant que ceci ait un sens) intègre la création du temps. Or le temps ne peut être créé au sein d'un temps déjà existant !

Une création de l'Univers, si l'on tient absolument à l'envisager, ce serait la création de l'espace-temps, donc de l'espace et aussi du temps. Elle ne peut pas procéder dans le temps, et ne peut donc qu'être atemporelle. Rien dans la physique ou dans la cosmologie ne permet de parler d'un instant de Création !

Malgré les immenses succès des modèles de Big-bang, il nous faut rester modestes: la cosmologie, et la science en général, ne nous fournira jamais l'explication du monde, et de la place que nous y occupons.

 

Par Marc Lachièze-Rey, Directeur de Recherches au CNRS.
Enseignant au DEA d'Astronomie spatiales Université de Toulouse.

Crédit : © Universite de tous les savoirs.
186e conférence donnée le 4 juillet 2000 | durée du programme: 89 minutes.

 

Bibliographie
  • Figures du ciel, J.-P. Luminet et M. Lachièze-Rey, Seuil - BnF, 1998.
  • Initiation à la cosmologie, M. Lachièze-Rey, Dunod, 1999.
  • Du monde clos à l'univers infini, Alexandre Koyré, Gallimard 1973.
  • Le rayonnement cosmologique, M. Lachièze-Rey et E. Gunzig, Masson 1995.
  • Alexandre Friedmann et Georges Lemaître, Essais de cosmologie, l'invention du Big-bang, Seuil - Sources 1997.
  • Connaissance du Cosmos, Marc Lachièze-Rey, Albin Michel , 1987.
  • Gravitation and cosmologie, Steven Weinberg, 1980, John Wiley and Sons, New York.
  • Univers, J. Demaret, Le Mail 1991.
  • À la poursuite du Big-bang, J Gribbin, Éditions du Rocher, 1991.
  • Chronique de l'espace-temps, A. Mazure, G. Mathez et Y. Mellier, Masson 1994.
  • Cosmologies du XXème siècle. Etude Epistémologique et historique des théories de la Cosmologie contemporaine, J. Merleau-Ponty, Gallimard, Paris, 1965.
  • Le Big-bang en questions, Science et Vie Hors série n° 189, décembre 1994.
  • [1] Voir la 183e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée par T. Damour.

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