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Le Prix Nobel de physique 2019 récompense une nouvelle vision de l’univers

Le Prix Nobel de physique 2019 récompense une nouvelle vision de l’univers

Peut-être que les noms des trois lauréats du prestigieux prix Nobel de physique 2019, annoncé mardi 8 octobre, vous sont inconnus. Pourtant, chacun à sa manière a participé à modifier profondément notre vision scientifique de l’univers, et au-delà, notre conception même du monde.

Jim Peebles le cosmologiste de Princeton, Michel Mayor et Didier Queloz les chercheurs d’exoplanètes de Genève ont reçu le prix Nobel pour leurs contributions à notre compréhension de l’évolution de l’univers et de la place de la Terre dans l’univers (« for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos »). Ce message n’est pas galvaudé. Jugez-en plutôt.

L’histoire de l’univers

Jim Peebles a un apport majeur et constant à la cosmologie, discipline de la physique et de l’astrophysique traitant de l’univers dans son ensemble. Théoricien, son travail impressionnant regorge de prédictions scientifiques de phénomènes qui se sont avérés mesurés par la suite.

La première concerne le début de l’univers, vers 370 000 ans après le big bang à l’époque où le rayonnement se libère sous forme du fond cosmologique. Il est l’un des premiers à donner des prédictions précises du fameux rayonnement de fond cosmologique, détecté en 1964 par une autre équipe et qui aura un retentissement majeur pour la cosmologie comme élément central du modèle du big bang.

 

Le fonds diffus cosmologique

Tout en explorant la nucléosynthèse primordiale, en particulier la synthèse de l’Hélium durant les premières minutes de l’univers et les implications, Peebles s’attaque au problème de la formation des galaxies et obtient une deuxième prédiction majeure de la nécessité de présence d’une matière non-relativiste, dite froide, pour expliquer la formation des galaxies qui était dans une impasse au vu de la trop faible densité de matière ordinaire (baryonique). Ce faisant, il anticipait les résultats des missions spatiales comme COBE, WMAP et Planck concernant les infimes fluctuations du fond cosmologique et la présence de matière noire.

Enfin, il participe à populariser l’idée de la nécessité d’introduire l’énergie sombre dans le modèle cosmologique, bien avant sa mise en évidence en 1998 (ayant donné des prix Nobel en 2011).

Ces questions de matière noire et énergie sombre se trouvent actuellement au cœur des grandes questions de la cosmologie. De grands moyens sont déployés pour mieux les comprendre, comme la mission européenne Euclid, ou le télescope au sol LSST.

Une prédiction me tient à cœur, moins connue. En 1967, avec Bruce Partridge, il est le premier a prédire que les galaxies au cours de l’histoire de l’univers rayonnent tellement qu’elles génèrent un « brouillard » lumineux qui l’on appellera finalement fond infrarouge extragalactique (sur lequel j’ai beaucoup travaillé il y a quelques années) et qui sera détecté en… 1996 par une équipe française dirigée par J.-L. Puget à Orsay.

On le voit, Peebles est ainsi de ceux qui sont les fondateurs de pans entiers de la recherche scientifique de pointe, et qui inspirent des travaux (tant théoriques qu’instrumentaux) durant des décennies !

Une « injustice » réparée ?

En 1965, deux articles majeurs de la cosmologie sont publiés dans Astrophysical Journal. Arno Penzias et Bob Wilson publient leur découverte du rayonnement fossile de l’univers, le fond cosmologique, en page 419. Cela leur vaudra le prix Nobel de Physique 1978. Quelques pages avant, Dicke, Peebles, Roll et Wilkinson livrent en page 414 l’interprétation de cette mesure majeure : il s’agit du rayonnement de corps noir cosmologique, sorte d’écho lumineux du big bang. Mais point de prix Nobel pour eux. Rebelote en 1989-1992 avec la découverte majeure des premières fluctuations du fond cosmologiques détectées par le satellite COBE et la confirmation de la nature du rayonnement du fond cosmologique (en corps noir) qui vaudra le prix Nobel 2006 à G. Smooth et J. Mather. J. Peebles avait prédit ces fluctuations.

Il est heureux que l’interprétation ou la prédiction théorique de ces mesures soit désormais un récompensée par ce prix 2019 pour Jim Peebles. La science avance non-linéairement, mais elle a toujours besoin et de théorie et de mesures ou d’observations se confrontant.

Enfin, beaucoup (dont je fais partie) se réjouissent que le Nobel couronne une carrière riche et féconde, qui a permis de faire émerger une vision plus précise d’un grand domaine scientifique, sans forcément qu’il y ait une découverte majeure. La science procède souvent ainsi, et ce prix est une belle mise en lumière de cette démarche au long cours.

La Terre n’est pas seule

Outre le sujet de l’origine de l’univers, les questions profondes qui animent l’humanité concernent aussi l’origine de notre planète Terre, et la présence éventuelle d’autres planètes dans l’univers. L’histoire et la littérature regorgent de réflexions concernant la pluralité des mondes et l’unicité de notre Terre et Système solaire.

Michel Mayor et Didier Queloz ont réussi la prouesse, grâce à l’instrument ELODIE de l’observatoire de Haute-Provence (OHP) de détecter la présence, pour la première fois, d’une exoplanète autour d’une étoile de type solaire en 1995.

Cette découverte nous a fait changer d’époque. D’abord parce que la communauté tenait la preuve scientifique de l’existence d’une exoplanète (on utilisait souvent le terme de planète extra-solaire, synonyme). Rêveurs, poètes ou monsieur ou madame Tout-le-Monde pouvaient enfin dire « Je vous l’avais dit ! » tellement cette possibilité, encore jamais prouvée, imprégnait l’imaginaire collectif.

Ensuite parce que cette exoplanète… tuait les théories de formation des systèmes planétaires de l’époque, qui étaient incapables de prédire la présence d’une planète géante chaude tournant autour de son étoile en quelques jours !

Enfin parce que dès lors, les programmes d’observation visant à détecter d’autres exoplanètes devinrent plus systématiques, tout comme le développement de modèles de formation des systèmes planétaires rendant compte de ces découvertes. Avec aujourd’hui plus de 4 000 exoplanètes détectées selon différentes méthodes, ce domaine scientifique a eu comme pionniers M. Mayor et D. Queloz (et quelques autres), et comme lieu emblématique un petit coin de Lubéron.

Le rôle de l’Observatoire de Haute-Provence

La découverte majeure de cette première exoplanète a été effectuée avec le télescope de 193 cm de l’Observatoire de Haute-Provence, situé dans le beau village de Saint-Michel l’Observatoire près de Manosque et Forcalquier dans le Lubéron. L’instrument ELODIE, développé par notamment les deux scientifiques et l’équipe de l’OHP et de Marseille, a permis par sa précision de mesurer la variation de vitesse radiale de l’étoile 51Peg, trahissant ainsi la présence d’une exoplanète improbable.

Vue du télescope de 1m93 avec ce qui est maintenant très rare : un observateur au foyer Cassegrain. Ici la plate-forme d’observation a été remontée à son plus haut niveau. Observatoire de Haute-Provence

L’instrumentation scientifique et les mesures ont ici précédé les prédictions théoriques qui, à l’époque, interdisaient l’existence de Jupiter chauds. Ce petit télescope – comparé aux standards actuels – a ainsi permis d’ouvrir une nouvelle ère scientifique qui se prolonge par des missions spatiales comme COROT, Kepler, TESS, et bientôt l’européen Plato et Ariel. Ce télescope est la preuve que la science de niche de plus haut niveau est aussi possible avec des moyens relativement modestes, en parallèle et complément de la big science. Je suis fier d’amener chaque année nos étudiants de master d’astrophysique dans ce prestigieux observatoire (comme le font la plupart des masters d’astrophysique de France).

Ce prix Nobel est aussi indirectement donné aux collègues administratifs, techniciens, ingénieurs et scientifiques de nos institutions (ici l’OHP) qui permettent de concevoir et mener ces programmes scientifiques, notamment instrumentaux, qui permettent littéralement de repousser les frontières de la connaissance.

Vision de l’univers et du monde

Beaucoup de scientifiques brillants méritent le prix Nobel. Avec des collègues à midi nous en listions déjà plusieurs. Pourquoi donc ces trois scientifiques en particulier ? Ce prix Nobel de physique 2019 est particulièrement intéressant car il met en lumière :

  • deux approches différentes de la science : l’une théorique sur toute une carrière qui a façonné toute une discipline et aboutit à l’émergence du modèle standard de la cosmologie, sans forcément faire LA découverte du siècle ; et l’autre avec une découverte du siècle justement, savamment construite avec une approche instrumentale incrémentale. Les deux approches ne s’improvisent pas, nécessitent du temps long et de la pugnacité, caractéristiques de la recherche scientifique ;

  • deux domaines très actifs de l’astrophysique contemporaine (la cosmologie d’une part, et la recherche sur les systèmes planétaires d’autre part) qui partagent la même ambition de mieux comprendre l’origine physique de notre monde.

Avec ce Nobel, ce sont finalement des questions très fondamentales qui sont mises en lumière, et qui obsèdent l’humanité depuis probablement ses débuts : d’où venons-nous ? Quelle est l’origine de l’univers ? Réfléchir à ces questions, en particulier de manière scientifique comme ici, permet de se forger une vision du monde qui dépasse au final le champ scientifique.

Si notre quotidien est peu affecté par notre connaissance de la rotondité de la Terre, de la présence d’exoplanètes autour des étoiles proches ou de matière noire dans les galaxies, ou de l’expansion de l’univers par exemple, que dire de notre vision du monde ? Philosophiquement (et avec des répercussions en terme de culture, d’art, etc.) ces découvertes sont essentielles à l’humanité puisqu’elles permettent de mieux appréhender d’où elle vient et d’avoir un regard sur le monde qui l’entoure, beaucoup plus clair et précis qu’auparavant mais non-exempt de mystères et de questionnements profonds.

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