Les tribulations d’un astronome

Prix Nobel & co

mardi 10 octobre 2006 par Guillaume Blanc

Souvent, l’annonce des lauréats du prix Nobel de physique ne me fait ni chaud ni froid. Souvent, ce sont des physiciens officiant dans des domaines trop loin du mien, dont le nom ne me dit rien. Parfois (rarement ?), malgré tout, un français est dans le lot, alors forcément, chauvinisme oblige, on est content. Cocorico. Et puis cette année, c’est l’astrophysique qui a été récompensée, alors forcément ça me touche un peu aussi. D’autant plus que l’un des lauréats ne m’était pas inconnu.

Je participais à un colloque début octobre, à Paris, sur les supernovæ et leurs galaxies hôtes. J’ai pu revoir plein d’amis italiens avec qui j’avais travaillé lors de mon séjour à Padoue. J’y ai reparlé un peu italien, et je me suis aperçu que je n’ai pas tout oublié, il subsiste quelques bribes... Bref. Les présentations et les discussions sont très très intéressantes. Ça faisait longtemps qu’un colloque ne m’avait passionné à ce point. Et puis mardi 3 octobre, après manger, l’un des organisateurs nous annonce que le prix Nobel de physique vient d’être décerné à deux américains, George Smoot, et John Mather pour «  leur découverte de la forme en corps noir et des anisotropies du fond de rayonnement micro-onde cosmologique ». Wouhaou ! Quelle émotion ! John Mather, jamais entendu parlé, mais George Smoot, oui ! J’ai même passé plus d’un an, à Berkeley, à quelques mètres de son bureau. Ça fait bizarre de connaître quelqu’un avant qu’il ne soit distingué par le prix Nobel ! Enfin, connaître est un bien grand mot, car lui ne me reconnaîtrait probablement pas, mais bon. Disons que l’ai croisé de nombreuses fois dans les couloirs. C’était au Lawrence Berkeley Laboratory, une machine à prix Nobels.

George Smoot a dirigé une équipe qui a mesuré les fluctuations du corps noir cosmologique à l’aide du satellite COBE et plus spécifiquement de l’instrument DMR. John Mather, lui, était le « grand chef » de l’expérience, et plus spécifiquement de l’instrument FIRAS. Avec ce dernier Mather et son équipe ont mesuré avec une grande précision le spectre du corps noir cosmologique. Mais qu’est-ce qu’il raconte ? Bon. Un spectre, ce n’est pas un revenant qui revient hanter vos nuits sous un grand drap blanc. Non, un spectre, c’est la décomposition de l’intensité de la lumière, et plus généralement de n’importe quel rayonnement électromagnétique, en fonction de sa fréquence ou de sa longueur d’onde : l’arc-en-ciel que donne le prisme sur le trajet de la lumière blanche. Un corps noir est un corps qui émet une lumière « thermique », c’est-à-dire qui rayonne seulement parce qu’il est chaud. Cosmologique, parce que ce corps noir remonte aux origines de l’Univers.

Selon la théorie du Big Bang, l’Univers est né dans quelque chose de très très chaud et très très dense. Une sorte d’« explosion initiale », qui a non seulement mis la matière en expansion, mais qui a créé l’espace-temps au sein duquel cette expansion a lieu. La réunion de cette matière, englobant toutes les particules existantes, et de ce tissu espace-temps, est l’Univers. Une des conséquences de cette expansion est un refroidissement de la matière.

À l’origine, était une plus que bouillante soupe de particules primitives très énergétiques qui interagissaient les unes avec les autres sans arrêt. L’expansion, et le refroidissement consécutif, provoqua la combinaison graduelle de ces particules pour, petit à petit, former d’abord les briques du noyau atomique, protons et neutrons. Le tout baignait encore dans une mare de photons, les grains de lumière, et d’électrons. La mixture était opaque au rayonnement, les photons ne cessant d’interagir avec les électrons encore libre. L’ensemble était en parfait équilibre, avec une température très bien définie, et rayonnait donc comme un « corps noir ».

Quand la température devint suffisamment fraîche - environ 3000 degrés Kelvin (3000 degrés au-dessus du zéro absolu) -, les électrons s’assagirent et se combinèrent aux noyaux, pour former des atomes (en l’occurrence surtout de l’hydrogène, le plus simple d’entre eux, formé d’un proton et d’un électron, avec un chouïa d’hélium, deux protons et deux neutrons avec deux électrons). À partir de ce moment-là, les photons, qui ne cessaient jusqu’alors de se cogner aux électrons qui n’avaient rien d’autre à faire de se trouver au beau milieu du trajet, purent enfin se balader librement. La soupe n’en était plus une, dans la mesure où elle devenait transparente à la lumière.

Ces photons soudain libérés se sont mis à se propager dans l’Univers jusqu’à venir imprimer leur empreinte sur les détecteurs du satellite COBE. Si leur couleur initiale, correspondant à la température de ce que l’on appelle le « découplage » entre le rayonnement et la matière, était rougeâtre, du fait de l’expansion de l’Univers, et du jeune âge de celui-ci au moment des faits (environ 300 000 ans après le Big Bang), la couleur est devenue au fil du temps beaucoup plus froide. Désormais, les photons qui baignent l’espace, résidus de cet instant magique où l’Univers a commencé à y voir clair, sont très dilués, donc pas facile à détecter, et ont une température quelque peu frisquette de 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Leur rayonnement se situe donc dans les micro-ondes, qui se trouvent entre le domaine de l’infrarouge (rayonnement des corps de quelques centaines de degrés Kelvin, comme le corps humain, par exemple) et celui des ondes radio (grâce auxquelles vous pouvez écouter la radio, justement). Invisible pour nos yeux, mais parfaitement détectable par un instrument approprié. D’ailleurs, ces micro-ondes, ce sont les mêmes que dans votre four éponyme.

Donc, grâce à l’instrument FIRAS, John Mather et son équipe ont pu mesurer la forme du spectre de ce rayonnement venu du fin fond des âges. Ils ont obtenu un superbe spectre de corps noir, le plus précis et le plus beau que la nature nous ait offert jusqu’à présent, venant ainsi confirmer brillamment l’une des prédictions de la théorie du Big Bang.

Mais ce n’est pas tout : les théoriciens prévoyaient également que si la soupe primordiale était d’une grande uniformité, elle n’en contenait pas moins les graines de ce qui allait devenir les futures structures de l’Univers tel que nous l’observons aujourd’hui : galaxies et amas de galaxies, grumeaux d’étoiles qui parsèment les cieux. Ces graines devaient se retrouver dans ce rayonnement fossile des premiers instants. C’est ce qu’observa l’équipe de George Smoot avec l’instrument DMR : des fluctuations de température très petites, de l’ordre de dix millionièmes de degré kelvin, fluctuation qui se retrouvaient dans le rayonnement observé. Ce sont les « anisotropies ». Anisotrope signifie que ce que l’on observe dépend de la direction d’observation.

George Smoot, John Mather, sans oublié leurs équipes, ont ainsi observé directement l’Univers quand il n’était qu’un balbutiant bébé, d’à peine 300 000 ans d’âge, en comparaison avec ses vénérables actuelles treize milliards d’années. C’est donc une bien belle découverte que récompense le prix Nobel cette année.

Et si l’astrophysique est rarement récompensée par l’institution suédoise, elle le fut néanmoins, et ce rayonnement fossile en est à sa deuxième médaille, puisque le prix de 1978 est revenu à Arno Penzias et Robert Wilson, qui avaient découvert, par accident, l’existence de ce rayonnement en 1965. Aujourd’hui le fond diffus cosmologique est étudié très en détail, car il contient énormément d’informations sur notre Univers. Un satellite américain est actuellement en orbite pour le cartographier, il s’agit de WMAP. Un autre satellite, européen, est en phase finale de préparation, pour aller encore plus loin dans la précision du détail. C’est PLANCK.

Le lendemain de l’annonce du prix Nobel, je profitais d’une séance de TD avec mes étudiants de première année pour leur parler de la chose. Tandis que j’essayais tant bien que mal de leur expliquer le pourquoi du comment (je ne suis pas sûr d’avoir été très brillant sur ce coup-là, mais bon), un superbe silence régnait dans la salle. Une fois n’était pas coutume, je m’entendais parler ! À la fin de mon exposé, je demandais à la cantonade s’ils n’avaient pas quelque question. La seule que j’ai eu, et qui me prit quelque peu au dépourvu, mais qui pourtant était très censée, était : « mais à quoi cela sert-il ? »

Une bien grande question, qui pourrait faire l’objet d’un large débat, mais dont la réponse tient aussi en peu de mots. Ça sert à mieux comprendre la nature qui nous entoure, à défaut d’avoir un impact sur notre confort quotidien dans les décennies à venir... L’homme est homme parce qu’il a besoin de comprendre les choses qui l’entourent !

Et puis, comme chaque année, une institution parallèle à la noble institution suédoise décerna ses prix à elle, les Ig-Nobels, c’était le 5 octobre, couronnant des travaux de recherche un peu farfelus. La cuvée 2006, vaut, comme à son habitude, son pesant de cacahuètes. Il a ces mathématiciens qui ont calculé le nombre de photos que vous devez prendre d’un groupe pour être sûr qu’aucun de ses membres n’aura les yeux fermés, ou encore ces sociologues qui ont mené des expériences pour tenter de comprendre pourquoi les gens n’aiment pas le son de l’ongle crissant sur le tableau noir. Et puis, en physique, ce sont deux français (cocorico !), qui l’ont obtenus pour avoir démontré que quand vous pliez un spaghetti au-delà de sa limite d’élasticité, il se casse nécessairement en plus de deux morceaux... Essayez, vous verrez !

Quant à savoir si ça sert à quelque chose, ma foi, je vous laisse en juger !


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