• Matière noire, Energie noire

    Matière noire, énergie noire selon Jean-Pierre Luminet.

     

     

    Matière noire en violet, dans la galaxie CL 0152-1357

     

    À l’origine du projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine, « Du Big Bang au Vivant », Jean-Pierre Luminet nous fait partager aujourd’hui sa vision de la cosmologie et de la physique théorique contemporaines dans un premier article. Nous nous pencherons ensuite sur le principe anthropique et ses liens avec l’exobiologie, toujours avec Jean-Pierre Luminet,dans un second article.

    Parmi les questions les plus importantes que se pose l’Humanité se trouvent celles du destin de l’univers et de son origine. Ces deux questions sont inséparables. Si elles fascinent à ce point tant d’Homo sapiens depuis des millénaires, c’est évidemment parce que nous sentons bien que répondre à ces questions est un préalable obligatoire pour espérer apprendre d’où nous venons, qui nous sommes et où nous allons.

    Depuis les temps des premiers philosophes grecs ou des spéculations métaphysiques des penseurs indiens, nous avons fait quelques progrès. Grâce au LHC et aux satellites Planck, Corot et Kepler, nous espérons en accomplir d'autres, bien que comme aimait à le dire le grand John Wheeler : «Nous vivons encore dans l’enfance de l’espèce humaine, tous les horizons que sont la biologie moléculaire, l’ADN, la cosmologie, commencent juste à s’ouvrir. Nous sommes juste des enfants à la recherche de réponses et à mesure que s’étend l’île de la connaissance, grandissent aussi les rivages de notre ignorance ».


    De gauche à droite à côté de lui, les bustes d'Einstein et de Bohr, les maîtres à penser de John Wheeler. ©Texas A&M University

    Jean-Pierre Luminet nous invitait tout dernièrement à réfléchir au destin de l’univers dans un de ses ouvrages. Mais c’est surtout grâce à un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine qu’il nous permet aujourd’hui avec Hubert Reeves d’explorer la structure et l’évolution du cosmos, du Big Bang au Vivant.

    Les clés pour comprendre le destin de l’univers s’appellent l’énergie noire et la matière noire. Elles apparaissent étroitement liées à l’apparition de la vie et des exoplanètes qui l’abritent peut-être.

    Un long métrage accompagnant la présence en ligne du site Du Big Bang au Vivant devrait sortir prochainement en France. En attendant, nous avons posé quelques questions à Jean-Pierre Luminet. Les voici.


    Jean-Pierre Luminet. © OBSPM

    Futura-Sciences : Comment en êtes-vous venu à participer au projet « Du Big Bang au Vivant » avec des producteurs et réalisateurs québécois ?

    Jean-Pierre Luminet : Tout est parti, il y a quatre ans, de discussions que j’ai eues avec la productrice Iolande Cadrin‐Rossignol. Alors qu’il existe d’excellents documentaires destinés à un large public dans le monde anglo-saxon, montrant les dernières découvertes dans les domaines de l’astrophysique, de la cosmologie et de l’exobiologie, il n’y avait rien d’équivalent dans les pays francophones. Il y avait donc un vide à combler et un défi à relever. Certaines personnes se sont montrées très intéressées par le projet au Québec et en France. Malheureusement, seuls les Québécois ont finalement décidé de s’impliquer réellement. Alors qu’il y a encore une dizaine d’années, il n’aurait pas été difficile de monter un tel projet en France, on rencontre maintenant beaucoup de frilosité.

    C’est donc du Québec que tout est vraiment parti et c’est à ce moment que nous avons demandé à Hubert Reeves de nous rejoindre, ce qu’il a accepté de faire. À un certain stade du travail, il nous est apparu que ça serait une bonne chose de s’inspirer de la trame et des thèmes que j’avais développés dans mon ouvrage écrit en collaboration avec Élisa Brune : Bonnes nouvelles des étoiles.

    Philippe Brax, qui était avec vous au colloque « Cosmologie et Philosophie » organisé à Lyon par Aurélien Barrau et Daniel Parrochia, nous a récemment expliqué dans un dossier consacré à l’énergie noire qu’il existait plusieurs interprétations possibles à l’accélération de l’expansion de l’univers découverte en 1998. Quelle est pour vous l’explication de la nature de l’énergie noire qui vous semble la plus probable ?

    Jean-Pierre Luminet : Je pense qu’il s’agit d’une véritable constante cosmologique. Sa valeur ne devrait donc pas changer dans le temps et dans l’espace, comme dans le cas des modèles de quintessence ou ceux avec de l’énergie fantôme conduisant à un Big Rip. L’univers observable devrait donc continuer son expansion accélérée pour l’éternité et il ne devrait pas y avoir de Big Crunch. Toutefois, le modèle de cosmologie cyclique récemment proposé par Penrose, bien que non orthodoxe, pourrait se révéler être plus qu’une brillante spéculation.

     

    Une vidéo extraite du site Du Big Bang au Vivant avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet sur le LHC. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

    L’existence de la matière noire semble solidement établie grâce à différentes observations astrophysiques, comme les collisions entre amas de galaxies. Beaucoup s’attendent à ce qu’on produise des particules de matière noire dans peu de temps avec des collisions au LHC. On a proposé différents candidats possibles pour expliquer cette matière noire, comme une population de minitrous noirs primordiaux. Il semble cependant que les candidats les plus sérieux soient des particules supersymétriques comme le neutralino. Quel est votre avis sur cette question ?

    Jean-Pierre Luminet : Tout d’abord, je pense que la matière noire est effectivement la bonne explication aux observations concernant les courbes de rotation des galaxies, celles concernant la stabilité des amas de galaxies et la naissance des grandes structures de l’univers. La théorie MOND proposée par Mordehai Milgrom au début des années 1980, qui modifie la loi de la gravitation de Newton à grandes échelles, et sa variante relativiste construite quelque temps après par Jacob Bekestein, ne me semblent pas apporter les bonnes solutions aux énigmes que l’on a rencontrées.

    Je trouve que la supersymétrie et la supergravité, l’extension supersymétrique de la théorie de la relativité générale d’Einstein, sont de très élégantes théories. Mais je suis plutôt sceptique quand à leur pertinence pour décrire l’univers.

    Surtout, et bien que la théorie des cordes soit favorable à l’idée que la forme de l’espace puisse être topologiquement compliquée, comme je l’ai proposé avec le modèle cosmologique du dodécaèdre de Poincaré, j’ai pris des distances avec cette dernière.

    S‘il n’est pas impossible que des particules supersymétriques n’existent pas dans notre univers sans que la théorie des cordes soit fausse, ce n’est pas une possibilité très naturelle.

    Par contre, si l’on devait découvrir des partenaires supersymétriques des particules du modèle standard comme le photon, les quarks ou les leptons, il semble qu’il soit difficile d’avoir de la supersymétrie sans la supergravité. Or cette dernière elle-même ne semble pas cohérente sans faire intervenir la théorie des supercordes. Pour ces raisons, je ne pense pas que l’on trouvera de particules supersymétriques au LHC.


    Abhay Ashtekar (né le 5 juillet 1949) est un physicien indien. Il est l'un des fondateurs de la gravitation quantique à boucles. © Kavli Institute.

    Effectivement, le prix Nobel Steven Weinberg disait (dans The Quantum Theory of Fields, Volume III, Supersymmetry) : « La gravité existe, donc si la supersymétrie se révèle pertinente pour décrire le monde, une théorie supersymétrique réaliste doit finalement être étendue pour constituer une théorie supersymétrique de la matière et la gravitation, connue sous le nom de supergravité. La supersymétrie sans supergravité n'est pas une option, même si elle peut être une bonne approximation à des énergies inférieures à l'échelle de Planck ». À laquelle s’ajoute une autre phrase d’un des grands théoriciens de la supergravité M.-J. Duff (Erice lectures on "The status of local supersymmetry") : « La supergravité elle-même n’est qu'une théorie effective non renormalisable qui ne fonctionne plus à l'énergie de Planck. Donc, s'il y a quelque vérité dans la supersymétrie alors toute théorie supersymétrique réaliste doit finalement être englobée par la théorie des supercordes, qui reste finie à hautes énergies. La supersymétrie sans supercordes n'est pas une option ». Cela veut-il dire que vous favorisez maintenant une autre approche au problème de la construction d’une théorie quantique de la gravitation, celle de la gravitation quantique à boucles par exemple ?

    Jean-Pierre Luminet : C’est effectivement le cas. Bien que je ne sois pas fondamentalement opposé à la théorie des supercordes, je trouve qu’elle a un peu trop fait d’ombre à la gravitation quantique à boucles (Loop Quantum Gravity ou LQG en anglais) développée par Abhay Ashtekar, Lee Smolin et, en France, par Carlo Rovelli. Pour quelqu’un qui a été formé initialement dans le domaine de la théorie quantique des champs de particules élémentaires, la théorie des supercordes peut sembler la bonne voie à suivre pour quantifier le champ de gravitation. Mais pour un relativiste, les techniques de quantifications utilisées en LQG semblent bien plus naturelles et bien mieux fondées.

    La théorie des cordes est pourtant capable de retrouver la fameuse formule de Hawking-Bekenstein pour l’entropie des trous noirs, au moins dans le cas des trous noirs supersymétriques. C’est ce qui a été montré par les calculs de Strominger et Vafa en 1995.

    Jean-Pierre Luminet : Les théoriciens de la gravitation quantique à boucles sont eux aussi capables de le faire, et sans supposer autre chose que les équations de la relativité générale d’Einstein. Dans le cadre de la LQG, les surfaces, comme celle de l’horizon d’un trou noir, sont quantifiées. C'est-à-dire qu’un trou noir grossissant (ou s’évaporant) en absorbant (ou émettant) des particules, ne peut le faire que par des sauts discrets des valeurs de l’aire de son horizon. Il se comporte donc comme un atome quantique avec un spectre discret d’états d’énergie.

    De la même façon que la mécanique quantique stoppe l’effondrement d’un électron sur le noyau d’un atome en physique classique, des travaux en LQG semblent bel et bien indiquer qu’il n’existe pas de singularité avec une courbure de l’espace-temps infini au cœur des trous noirs ou lors de la naissance de l’univers observable.


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