Archives pour la catégorie Des particules au cosmos

Et si les atomes d’espace avaient été détectés ?

Que l’espace soit peut-être une structure granulaire, composée de petits « atomes », c’est ce que de nombreuses théories de gravitation quantique suggèrent. L’idée est simple et presque évidente. Mais comment la tester ? Si ces « atomes » existent, ils sont certainement si petits qu’aucun de nos instruments actuels et futurs ne permet d’en envisager l’observation.

Dans un milieu cristallin, la lumière interagit avec les atomes de matière et il s’ensuit une relation de dispersion. Cela signifie essentiellement que les rayons de lumière de différentes couleurs ne se propagent pas de la même manière. Rien d’étonnant : la lumière est une onde et suivant que sa longueur d’onde est plus ou moins grande par rapport à la taille de la maille du réseau dans laquelle elle se propage, les chose ne se passent pas « de la même manière ».
Si tout l’univers, même sans matière, est lui-même composé de petits atomes d’espace, le même phénomène ne devrait-il pas se produire ?

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Le problème immense de l’accélération de l’Univers est-il enfin résolu ?

En mathématiques, on utilise souvent ce qu’on nomme un développement limité. Cela consiste à approximer une fonction suffisamment régulière par une série de termes dont chacun fait intervenir une dérivé d’ordre plus élevée que le précédent (la dérivé renseigne sur la vitesse de variation de la fonction).

Si l’on considère le facteur d’échelle de l’Univers – que l’on peut intuitivement penser comme sa taille si la courbure est positive – et son évolution en fonction du temps, on peut là aussi mener un développement limité de cette fonction.
Le terme d’ordre zéro de ce développement est connu depuis toujours : c’est l’existence de l’Univers.
Le terme d’ordre un de ce développement est la grande découverte du début du vingtième siècle : l’Univers est en expansion.
Le terme d’ordre deux de ce développement est la grande découverte de la fin du vingtième siècle : l’expansion de l’Univers est accélérée.

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Trous noirs et gravitation quantique : une nouveauté

Les trous noirs sont des zones de l’espace dont rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper. Bien que très étranges à plus d’un titre, ils sont globalement bien compris et bien décrits par la grande théorie d’Einstein. L’existence de trous noirs dans notre Univers est maintenant presque avérée et plus personne n’en doute sérieusement. Leurs propriétés, en particulier l’émissions d’ondes gravitationnelles – de petites vibrations de l’espace – lorsque deux trous noirs fusionnent, sont correctement expliquées par les modèles usuels de l’astrophysique.

Néanmoins, si l’on s’intéresse aux petits trous noirs, les choses ne sont plus si simples. Il devient alors indispensable de tenir compte des effets quantiques. Or, une théorie tout à fait convaincante de la gravitation quantique est précisément ce qui manque le plus cruellement à la physique théorique depuis un siècle. Dans un article récent publié dans Physical Review Letters (voir la version PRL ou le preprint téléchargeable), je me suis intéressé à la possibilité d’entrevoir des effets de gravitation quantique grâce aux trous noirs.

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La gravitation est-elle émergente ?

La vision usuelle de la physique suggère qu’il existe quatre forces fondamentales :
– la force électromagnétique
– la force nucléaire faible
– la force nucléaire forte
– la force gravitationnelle

Mais rien n’assure que ces forces fondamentales soient … vraiment fondamentales ! Elles pourraient émerger de quelque chose de plus fondamentale encore. Pour ce qui concerne la gravitation, quelques indices existent en ce sens : pourquoi est-elle si faible ?, pourquoi ne se laisse-t-elle pas quantifier simplement ?

Les ondes sonores, par exemple, sont émergentes. Elles proviennent d’effets collectifs dans les molécules de l’air. Elles ne sont pas des phénomènes fondamentaux et, pour cette raison, il n’est par exemple pas envisagé de les quantifier. La connaissance du processus d’émergence change notre façon de comprendre le phénomène de façon non-triviale.

La question essentielle est ici celle du « type » d’émergence. Il se pourrait par exemple que la gravitation émerge de la théorie des cordes. Il s’agit d’une description unificatrice du monde dans laquelle les entités fondamentales seraient des sortes de petits élastiques en vibration. C’est une hypothèse ancienne, spéculative, qui serait évidemment très novatrice mais à mon sens pas révolutionnaire au sens de l’émergence. Une autre possibilité serait celle de la gravitation quantique à boucles que je décris en détails ici.

Mais la forme d’émergence particulière que je veux évoquer dans ce billet est différente. Elle est thermodynamique. La thermodynamique est une science qui montre que les propriétés d’un système physique constitué d’un grand nombre de petits éléments peuvent être comprises indépendamment des détails des constituants fondamentaux. C’est une science extraordinairement belle et fiable.

Représentation imagée de la légende de la pomme de Newton (de LOTHARLORRAINE)

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Les ondes gravitationnelles révèlent-elles une physique au-delà de la relativité générale ?

Il y a peu, l’expérience LIGO a mesuré les ondes gravitationnelles – petites vibrations de l’espace – engendrées par la danse de deux trous noirs. Il ne s’agissait pas vraiment d’une découverte puisque les ondes gravitationnelles ont été détectées il y 40 ans grâce à un système binaire de pulsars (le prix Nobel a été donné il y a 20 ans pour cela). Il ne s’agissait pas vraiment d’une détections tout-à-fait directe puisque nous n’avons jamais accès à l’en-soi des choses en physique et toute mesure est une très complexe et très indirecte mise en évidence du phénomène recherché. Il ne s’agissait pas non plus d’une « preuve » de la théorie d’Einstein puisqu’aucune théorie n’a été prouvé en sciences de la Nature et aucune ne le sera jamais (pour la simple raison que toutes les théories sont fausses, elle sont seulement la meilleure proposition dont nous disposons à un instant donné).

Pour autant, ces mesures sont très loin d’être inutiles ! Tout au contraire, elles ouvrent un champ nouveau et fascinant ! C’est une véritable astronomie gravitationnelles qui va maintenant émerger et donner accès à des visages du cosmos qui nous sont pour le moment inconnu. Une nouvelle ère s’ouvre. Nous disposons d’un « nouveau sens » pour scruter et comprendre notre environnement.

Simulation d'Alain Riazuelo
Simulation d’Alain Riazuelo

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Gravitation quantique : où en est-on ?

Durant les 15 derniers jours, j’ai eu le plaisir de participer à deux congrès internationaux de recherche sur la gravitation quantique auxquels j’étais invité pour présenter les travaux réalisés avec mes proches collègues (en particulier Boris Bolliet, Julien Grain, Killian Martineau, Francesca Vidotto). Le premier « Experimental Search for Quantum Gravity » avait lieu à l’Institute for Advanced Studies de Frankfort, le second « Emergent Spacetime in quantum gravity and Fundamental Cosmology » se tenait à l’Institut Albert Einstein de Gölm.

Ce fut pour moi l’occasion de mesurer une fois de plus la formidable vitalité des recherches en cours sur ces thématiques ! Commençons par expliquer ce qu’est la gravitation quantique. Nous avons, en physique, deux grandes théories pour décrire le réel. D’une part, il y a la mécanique quantique. Elle rend compte du comportement de la matière, en particulier à l’échelle microscopique. D’autre part, il y a la relativité générale. Elle rend compte de la nature et de l’évolution de l’espace-temps. Autrement dit, la première renseigne sur le contenu, la seconde sur le contenant. Hélas, ces deux théories sont incompatibles l’une avec l’autre !

Variété de Calai-Yau en théorie des cordes (by Stewart Dickson)
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Une galaxie faite à 99.99% de matière noire !

La matière noire a une longue histoire. Son existence a été supposée pour la première fois en 1933 et a été confirmée de façon fiable en 1970. C’est un mystère qui dure et c’est rare ! Il y a quelques temps, une petite anomalie, peut-être un signe de nouvelle physique, a été détectée auprès du grand collisionneur LHC du CERN. S’ensuivit une intense excitation. Hélas il ne s’agissait que d’une fluctuation statistique : rien de sérieux. Au contraire, les indications en faveur de l’existence de matière noire ne font que s’accumuler avec le temps ! Il est maintenant presque certain que la matière noire existe bel et bien.

Mais qu’est-elle ? Ca, nous ne le savons pas ! Il existe de la matière noire « standard », composée de protons et de neutrons. Elle est sans doute 10 fois plus abondante que la matière visible (elle-même essentiellement faite d’étoiles). Mais il existe aussi de la matière noire « exotique » qui n’est pas faite de protons et de neutrons ! Nous ignorons tout des particules qui la compose. Et elle est environ 5 fois plus abondante que la matière noire standard et donc 50 fois plus abondante que les étoiles.

La galaxie Dragonfly 44.
La galaxie Dragonfly 44.

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Rayons gammas et trous noirs en rebond

Le satellite Fermi est dédié à l’étude des rayons gammas, c’est-à-dire des photons de très haute énergie se propageant dans l’Univers. Il a été lancé en 2008 et fonctionne encore. Il est capable de aniesurer, avec l’instrument LAT, ces rayons gammas à des énergies comprises entre 20 millions de fois et 300 milliards de fois celles de la lumière visible. Il a apporté des résultats importants pour la compréhension des phénomènes violents dans le cosmos : pulsars, quasars, microquasars, sursauts gammas, etc.

Le ciel "gamma" mesuré par Fermi
Le ciel « gamma » mesuré par Fermi

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Pourquoi tester le principe d’équivalence ? Le satellite Microscope.

Le satellite Microscope a été lancé, il y a peu, par une fusée Soyouz pour tester le principe d’équivalence. Qu’est-ce que cela et pourquoi vouloir améliorer la précision d’une mise à l’épreuve de cet élément central de la physique déjà fort bien confirmé par de multiples expériences ?

Le principe d’équivalence est le constat suivant : tous les corps chutent de la même manière dans le champ gravitationnel, quelles que soient leurs masses. Il joue donc un rôle central dans la construction de la relativité général car c’est à partir de celui-ci qu’Einstein comprend que, parce que la gravité est la même pour tous, il est peut-être possible de la décrire comme une déformation de l’espace-temps – qui, précisément, nous contient tous – plutôt que comme une force agissant sur les objets.

Satellite Microcsope. Copyrigths CNES. (Illustration de D. Ducros)
Satellite Microcsope. Copyrigths CNES. (Illustration de D. Ducros)

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De la nouvelle physique, enfin !

Le 15 décembre dernier, était annoncé par le CERN une légère anomalie dans les données qui pourrait être interprétée comme une nouvelle particule. Il s’agit d’un excès de paires de photons à une énergie d’environ 750 GeV (soit 750 milliards de fois l’énergie de la lumière visible), potentiellement engendré par la désintégration d’une entité encore inconnue. Cette analyse a été menée conjointement par les deux plus grands détecteurs (ATLAS et CMS) installés sur le collisionneur de protons de 27 km de circonférence situé 100 mètres sous Terre, le LHC.

Le 17 mars, une nouvelle analyse a été présentée, en particulier par l’expérience CMS, et le signal est maintenant légèrement plus significatif.

Événement observé par l'expérience CMS
Événement observé par l’expérience CMS

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L’énigme des sursauts radios se dévoile

Depuis une dizaine d’années, de mystérieux flashs sont observés dans le domaine des ondes radio. Il semble qu’ils témoignent de phénomènes cosmiques lointains libérant en un bref instant une quantité considérable d’énergie. Différents modèles ont été proposés pour expliquer leur origine. Les plus crédibles se fondent sur des objets astrophysiques bien connus. D’autres sont plus exotiques, comme celui que j’ai suggéré avec Carlo Rovelli et Francesca Vidotto (voir ici), utilisant des effets de gravitation quantique faisant rebondir les trous noirs en trous blancs.

CSIRO's Parkes radio telescope (credit: Swinburne Astronomy Productions)
CSIRO’s Parkes radio telescope (credit: Swinburne Astronomy Productions)

La nouveauté vient de ce que pour la première fois il a été possible, il y a quelques jours, d’identifier la galaxie qui hébergeait un sursaut ! Elle se trouve à 6 milliards d’années-lumière de la Terre.
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Sursauts gammas et fusions de trous noirs : des sirènes gravitationnelles ?

Récemment, l’expérience LIGO a annoncé la détection d’ondes gravitationnelles émanant de la fusion de deux trous noirs. Il s’agit d’une avancée majeure. Pour la première fois, nous avons observé sans ambiguïté des effets qui sont directement liés à la présence d’un horizon, la caractéristique essentielle des trous noirs. De plus, il a même été possible de mesurer l’énergie émise sous la forme de ces ondes d’espace et la vitesse à laquelle le trou noir final tourne sur lui-même.
(Crédit : SXS project)
(Crédit : SXS project)
Le satellite Fermi a annoncé avoir observé un sursaut de rayons gammas presque au même moment que la coalescence détectée par LIGO et provenant de la même direction. Cette annonce est sujette à caution car d’autres détecteurs ne l’ont pas confirmée et la position est très mal mesurée avec les deux antennes de LIGO. Si néanmoins elle s’avérait exacte, elle ouvrirait d’intéressantes perspectives.

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Big Bang et au-delà

Voici la nouvelle édition de mon petit livre « Big Bang et au-delà », juste publié chez Dunod.

Il s’agit une balade en cosmologie, sans prétention à l’exhaustivité. Je tente de passer en revue les avancées majeures de la science de l’Univers, mais aussi de souligner l’immensité de ce que nous ne comprenons pas encore. On y croise des trous noirs et des particules élémentaires, on s’y interroge sur les fondements théorique et les bases observationnelles du modèle du Big Bang. En conclusion, se pose la question des univers multiples. Quelques préoccupations philosophiques et poétiques, évidemment biaisées par mes intérêts propres et sans la moindre vocation au « panorama », s’invitent ici et là.
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Pour souligner que la science est aussi une aventure humaine, je conte également — en filigrane — un certain nombre d’anecdotes personnelles, de révoltes et de positionnement sociétaux. La question de la souffrance infligée aux animaux ou de l’exclusion des plus faibles, quoique non directement reliée, ne peut pas ne pas se poser, je crois, quand on tente de scruter notre environnement.

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Et si le temps disparaissait proche du Big Bang ?

La relativité générale, la grande théorie d’Einstein, fonctionne remarquablement bien ! Nous venons d’en avoir une nouvelle confirmation avec la magnifique mesure des ondes gravitationnelles par LIGO. Elle nous apprend que l’espace est une entité dynamique et que l’expansion de l’Univers est en fait une dilatation de l’espace. Grâce à elle, il est possible de rendre compte de façon fiable et précise de l’essentiel de l’histoire de l’Univers. Hélas, elle ne fonctionne plus au moment du Big Bang ou juste autour de celui-ci. Il faudrait alors disposer d’une théorie « meilleure » que la relativité générale : une théorie de gravitation quantique, c’est-à-dire conciliant les deux piliers de la physique de 20ème siècle.
Illustration imagée de l'espace en gravité quantique à boucles (crédit : Carlo Rovelli)
Illustration imagée de l’espace en gravité quantique à boucles (crédit : Carlo Rovelli)
À l’heure actuelle aucune théorie consensuelle de gravitation quantique n’existe. Parmi les modèles les plus étudiés, on trouve la théorie des cordes et la gravitation quantique à boucles. Cette dernière fait apparaître des espèces « d’atomes d’espace ». Depuis une quinzaine d’années, elle a été appliquée avec succès à l’Univers lui-même et montre que le Big Bang disparaitrait et serait remplacé par un grand rebond, un Big Bounce. Il s’agit naturellement d’un modèle spéculatif mais il est cohérent.

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Vient-on vraiment de découvrir les ondes gravitationnelles ?

Les ondes gravitationnelles sont de petites vibrations de l’espace et la journée du 11 février fut historique pour celles-ci ! Nous venons de vivre un événement majeur.

La publication ‘historique’ est ici.

Avant d’entrer dans le vif du sujet, je veux commencer par commenter le titre provocateur de ce billet : il ne s’agit nullement de contester ou de dénigrer la magnifique détection opérée par l’expérience LIGO et moins encore d’en contester l’intérêt phénoménal. Il s’agit d’une mesure à la fois sidérante et émouvante. Voir des trous noirs de cette manière est sans précédent dans notre histoire et je vais y venir en conclusion. Mais je crois néanmoins qu’il est important de produire certains éclaircissements par rapport à différentes analyses un peu trop rapides qui fleurissent ici et là, de façon que cette avancée exceptionnelle soit appréciée pour ce qu’elle est vraiment !

1) Vient-on de découvrir les ondes gravitationnelles ?

Non. La découverte est ancienne. Une découverte, en effet, est une indication que l’on considère comme suffisamment fiable pour lui accorder notre crédit. Ce n’est jamais une preuve irréfutable. C’est un faisceau d’indices qui convergent. On ne peut pas être certain, par exemple que ce qu’a mesuré le CERN est bien le boson de Higgs prévu par nos théories. Mais cela semble si crédible que nous pouvons collectivement nous mettre d’accord sur ce qu’il s’agit très vraisemblablement de la découverte expérimentale du Higgs.
Et ce sens, je crois qu’on peut s’accorder à considérer que les ondes gravitationnelles avaient déjà, et depuis bien longtemps, été découvertes ! En effet, le système binaire de Hulse-Taylor, un pulsar tournant autour d’une étoile à neutron, étudié dès 1974 a permis de montrer que la variation de période orbitale observée était exactement expliquée par l’émission d’ondes gravitationnelles. S’ensuivit le prix Nobel en 1993. D’autres systèmes de ce type furent découverts, tous en parfaite adéquation avec ce que prédisait l’émission d’ondes gravitationnelles (cf figure ci-dessous). À ma connaissance, plus personne ne doutait de l’existence des ondes gravitationnelles. La détection a donc déjà eu lieu il y a des décennies.
On pourrait objecter qu’il s’agissait d’une détection indirecte tandis que celle, toute récente, de LIGO est directe. Je pense que cette distinction n’a aucun sens épistémologique. Aucune détection n’est jamais « directe » : on observe les effets secondaires d’un phénomène physique sur des objets utilisés comme outils de mesure. C’est ce qui a lieu dans les deux expériences considérées et la seconde (LIGO) n’est pas plus « directe » que la première. Je suis persuadé que si l’interféromètre de type LIGO existait naturellement et que nous avions nous-mêmes construit le système binaire c’est à ce dernier que nous donnerions le qualificatif de « détection directe ».

Mesure (points), indépendantes de la récente détection par LIGO, de l'évolution de la période et comparaison (trait plein) avec la prédiction due à l'émission d'ondes gravitationnelles, pour un système binaire.
Mesure (points), indépendantes de la récente détection par LIGO, de l’évolution de la période et comparaison (trait plein) avec la prédiction due à l’émission d’ondes gravitationnelles, pour un système binaire.

2) A-t-on enfin vu les gravitons ? Continuer la lecture

LSST : un géant pour le cosmos

Le grand télescope LSST est actuellement en construction au Chili. Il fait partie de la classe des 8 mètres (typiquement la taille des plus grands télescopes actuellement en fonctionnement). Mais il présente une caractéristique très particulière qui le distingue des autres instruments et va sans doute constituer une vraie révolution dans le domaine : il a un champ de vue extrêmement large ! Il ne cherche pas à regarder avec un très fort grossissement une planète, une étoile ou une galaxie, il cherche à réaliser une carte globale de l’Univers. Jusqu’à maintenant nous ne connaissons, jusqu’à des profondeurs importantes, que de petites zones du ciel.

L’instrument permettra de cataloguer plusieurs milliards de galaxies (et 10 milliards d’étoiles), améliorant considérablement notre image du cosmos à grande échelle. De plus, parce qu’il reviendra périodiquement sur les mêmes zones du ciel, plus qu’une photographie il réalisera en fait un « film » permettant de mettre en évidence d’éventuels phénomènes variables. C’est une première à ce niveau de qualité et de sensibilité.

LSST tel qu'il sera dans quelques années (crédits : LSST collaboration)
LSST tel qu’il sera dans quelques années (crédits : LSST collaboration)

Pour quels enjeux scientifiques ? Continuer la lecture