univers zéro un 101

Depuis la publication des résultats d’observation des missions COBE et WMAP, et encore plus depuis l’attribution du prix Nobel de physique 2006 à Smoot et Mather, combien de fois nous a-t-on répété que nous vivons dans une espace euclidien ? Il faut alors se demander qu’est-ce qu’un espace euclidien; s’interroger sur la forme de l’espace est une question fascinante, même si elle n’est pas facilement abordable. En élargissant la portée de cette question, on s’aperçoit qu’elle touche l’ensemble des problèmes reliés à une représentation adéquate de la forme globale de l’espace qui serait occupé par l’Univers. On comprend alors qu’une révision exhaustive de nos conceptions habituelles de la géométrie et des mathématiques est requise.

Cette remise en question du système de représentations de l’espace, élaboré par les scientifiques, est à l’origine d’un essai audacieux de l’astrophysicien Jean-Pierre Luminet : L’Univers chiffonné. Publié en format poche et en français, il nous introduit à la topologie cosmique, une discipline de recherche orientée sur l’évaluation de la taille et de la forme de l’Univers, une des plus grandes questions de la cosmologie. Cet essai en est à sa seconde édition, revue et augmentée. Écrit originalement après la publication des résultats d’observation de la mission COBE, une postface a été ajoutée pour tenir compte des résultats de WMAP.

Il aborde une question primordiale aux multiples conséquences épistémologiques, la principale étant le bouleversement notre manière habituelle de percevoir l’espace : «L’espace serait-il chiffonné au point de créer des images fantômes des lointaines galaxies ?» – question tout à la fois troublante et passionnante. Les conséquences de cette question sont effectivement troublantes, puisqu’elle nous confronte à la nature même des données des observations téléscopiques et radioscopiques des objets célestes. L’espace réel de l’Univers pourrait-il être plus petit que celui que nous croyons observer ? Comment serait-ce possible ? Et surtout comment contourner les multiples objections, devant un point de vue qui pourrait paraître aussi marginal ?

Pour avoir un avant-goût du contenu de cet essai, Jean-Pierre Luminet expose l’essentiel de sa théorie topologique dans une narration de quarante-cinq minutes, hébergée dans la section Paroles d’astronomes du site CieletEspace.fr. Il en profite aussi pour révéler les obstacles se pointant à l’horizon pour pouvoir la soutenir par des observations. Ce directeur de recherche au CNRS, attaché au Laboratoire Univers & théories à l’Observatoire de Paris, brosse rapidement un panorama des principaux enjeux de la cosmologe moderne. On passe de l’espace rigide de Newton, sans structure et euclidien, à l’espace-temps flexible et interactif de Einstein, sculpté par la matière. On comprend dès lors que les objets célestes se meuvent dans un espace cosmique à topologie variable. C’est une des explications les plus convaincantes pour qui ne serait pas familier avec ce changement majeur de paradigme cosmologique survenu au début du XX^ème siècle.

Il n’est pas possible d’évacuer ce fait que la nouvelle cosmologie relativiste comporte pourtant des limites très difficiles à surmonter, notamment cette réconciliation tant attendue entre les théories traitant des phénomènes se déroulant dans l’espace sub-planckien (en deçà de 10^-33 cm.) et celle traitant des phénomènes survenant à l’échelle cosmique, rappelle-t-il. Luminet réussit pourtant à jeter un éclairage novateur, au delà de la complexité des débats qui mobilise actuellement la communauté scientifique.

En dépit de ces limites, il nous guide à pas feutrés sur son terrain, son dada pour reprendre ses propres termes: l’espace chiffonné, qui pour le moment demeure une réflexion théorique sur la topologie cosmique. Ce nous conduit bien sûr à l’avant-garde des observations actuelles. Les avancées des modèles mathématiques auxquels a recours la topologie cosmique pourraient se comparer aux avancées d’autres modèles mathématiques, comme le furent les travaux de Riemann sur la géométrie de l’espace qui précédèrent la théorie de la relativité de Einstein. Rappelons qu’au moment où Einstein conceptualisa la courbure espace-temps, il ne disposait pas d’un cadre théorique au niveau de la géométrie. Mais comme les théoriciens sont toujours à l’avance, des percées exploratoires qui semblent difficile à concevoir trouvent parfois des applications concrètes par la suite. C’est dans cette perspective qu’il faut saisir le modèle théorique qu’i propose de l’espace.

Cette théorie est certes avant-gardiste, en proposant que la taille de l’espace réel soit plus petite que celle que les scientifiques ont l’impression d’observer aujourd’hui. Elle a pourtant retenu l’attention de magazines comme Scientific American et de revues scientifiques à comité de lecture comme Nature. Des articles récents sont aussi disponibles en pré impression, sur le site arxiv.org.

Les fondements de sa théorie s’appuient sur un cadre analytique novateur, dont deux méthodes comparatives à partir des données observationnelles actuelles.

La première est la cristallographie cosmique, où le défi serait d’identifier des structures répétitives d’objets célestes, en se basant par exemple sur les données d’inventaire telles que le Sloan Digital Sky Survey. La seconde, s’appuierait sur l’identification de cercles communs entre des sphères répétitives d’espace, plus ou moins superposées, à partir des données observationnelles de COBE & WMAP.

REPENSER LA TOPOLOGIE
Au delà des modèles courants.

Avant d’explorer précisément les mirages topologiques, le premier tiers de l’ouvrage – les quinze premiers chapitres de l’Univers chiffonné – constitue une introduction exceptionnelle à la topologie, permettant de réaliser qu’il est possible d’envisager d’autres configurations de l’espace que les trois modèles habituellement proposés dans les ouvrages traitant de cosmologie. Il n’est pas suffisant, selon Luminet, de s’interroger uniquement sur la courbure potentielle de l’espace. Les assises sur lesquelles Luminet s’appuie sont accompagnées d’un avertissement crucial : pour savoir si l’Univers est fini ou infini, il ne suffit pas de déterminer sa métrique ou sa courbure spatiale, il ne suffit pas non plus de comparer uniquement son paramètre de densité et établir si il est inférieur, égal ou supérieur à 1. Des hypothèses supplémentaires sont nécessaires : celles de la topologie. Il nous fait explorer des modèles concurrents; on passera ainsi du cylindre à la fougasse, puis ensuite à des formes fascinantes, plus particulièrement l’hypertore, en examinant pour chaque modèle quelles en sont les possibilités et les conditions d’existence.

La structure de son essai s’apparente à la complexité des topologies qu’il propose, en nous sortant de la linéarité des raisonnements, car il nous invite à y circuler par des renvois fréquents à des chapitres ou des sections précédents ou subséquents. Un réseau de trous de vers, sous forme de renvois, nous conduit instantanément à des détails qu’on voudra réviser ou non. En étudiant cette partie de l’ouvrage, on peut se retrouver par exemple au trente neuvième chapitre où il critique assez sévèrement la notion d’Univers plat, telle qu’on l’annonce dans la communauté scientifique depuis l’an 2000. Il faut donc faire preuve d’une grande ouverture d’esprit en lisant cet essai et franchir de nombreuses barrières au niveau de notre compréhension des phénomènes pour finalement admettre que son approche mérite attention.

CRISTALLOGRAPHIE COSMIQUE
Le hall des miroirs et des fantômes

Les assises de cette première méthode comparative s’appuient sur l’existence des mirages gravitationnels, qui sont le produit des lentilles gravitationnelles. De manière identique aux mirages gravitationnels, causés par la déviation de la lumière par des objets massifs comme les trous noirs, les propriétés topologiques de l’Univers pourraient aussi produire des images fantômes, comme si on observait l’ensemble de l’Univers à travers une espèce de kaléidoscope gravitationnel cette fois, au lieu d’une simple lentille gravitationnelle. Certains modèles topologiques de l’espace peuvent ainsi permettre l’apparition d’images fantômes. Pour le moment, le modèle privilégié par Luminet est un univers dodécaédrique, selon un modèle d’espace hyperbolique de Seifert-Weiber. En ses propres termes :

Un univers chiffonné a une topologie remarquable qui permet d’identifier l’espace physique à un polyèdre, dont l’image démultipliée constitue le monde des apparences. Représenter la structure de l’espace apparent revient à représenter sa structure «cristalline», dont chaque maille est une reproduction du polyèdre fondamental. [...] Vue de l’intérieur, on aurait l’impression de vivre dans un espace cellulaire pavé à l’infini par des dodécaèdres déformés par des illusions d’optique

Luminet s’inspire de travaux de ses prédécesseurs pour établir les fondements de son interrogation, notamment sur ceux de Karl Schwarzschild qui, dans les années 1900, se demandait alors s’il était possible que notre galaxie, La Voie lactée, puisse se répéter indéfiniment dans un canevas cubique régulier, donnant ainsi l’illusion d’un espace plus vaste que dans la réalité. Ce qui est particulièrement intéressant dans son approche, c’est sa démonstration mathématique et statistique de modèles récurrents et les différentes simulations qui permettent d’établir de manière cohérente quelles sont les probabilités qu’un tel modèle puisse exister. Il ne néglige pas d’exposer simultanément les difficultés d’un tel modèle au niveau observationnel, étant donné que les images fantômes pourraient aussi être affectées par le déplacement apparent des objets célestes, rendant ainsi périlleux la reconstitution des différents motifs de répétition.

DES PAIRES DE CERCLES HOMOLOGUE
Ambitieux décryptage de données

En utilisant cette seconde méthode, il s’agirait d’identifier des structures récurrentes dans la thermographie du rayonnement fossile, en supposant que le même bloc d’espace pourrait y apparaître plusieurs fois, à titre de surface d’intersection entre deux sphères. Cette seconde méthode de recherche s’inspire des travaux de David Spergel et Neil Cornish (Princeton), de Glennn Starkman (Cleveleand) et du mathématicien Jeffrey Weeks. Il s’agirait de repérer des similitudes et les répétitions de motifs, afin d’identifier éventuellement des cercles communs entre de potentielles sphères qu’on tenterait de déceler dans les données des missions d’observation telle que COBE ou WMAP, voire les futures missions telles que PLANCK. On comprend alors qu’il serait nécessaire de passer au peigne fin des quantités incroyables de données sur les motifs de fluctuations de température du fond du rayonnement fossile. Selon la grandeur réelle de l’Univers, est-il possible que de telles superpositions puissent vraiment exister ? On peut même se demander à la limite si cela n’est pas utopique.

À la limite, on pourrait comparer cette théorie aux problèmes de topologie soulevés par les théoriciens des cordes, mais au lieu de se retrouver devant l’indémontrable dans l’infime, on se retrouve devant l’indémontrable dans l’infini ? Les problèmes de topologie se retrouveraient ainsi aux deux extrémités des dimensions de l’Univers – dans l’infime et dans l’infini. Luminet est tout à fait conscient que sa théorie des images fantômes nécessiterait des systèmes informatiques très puissants pour pouvoir repérer ces cercles communs.

AU DELA DE L’ESSAI
Un ouvrage de référence

Ce bref résumé ne peut rendre pleinement justice à l’étonnant argumentaire développé sur près de 500 pages; c’est une invitation à la lecture et à l’étude, mais surtout une prise de conscience qu’un tel essai peut être promu à titre d’ouvrage de référence. Mais même si on s’en tient à l’exposé Parole d’astronomes, il est aisé de concevoir que cette étonnante théorie illustre sans ambiguïté que les scientifiques ne cessent d’investiguer toutes les avenues possibles pour obtenir une meilleure représentation de la topologie cosmique. Il est impossible de prétendre que les représentations actuelles sont là pour rester indéfiniment. Il faut conserver à l’esprit que ce que les Humains observent du ciel aujourd’hui ressemble encore à ce qu’ils ont observé dans les derniers siècles, dans la nuit sombre au dessus de leurs tête imaginative. Nous regardons encore ce qu’il regardaient, mais voyons-nous ce qu’ils voyaient ? C’est dans cette subtile nuance qu’apparaît l’évolution de nos représentations. Dans une formulation plus lapidaire, Chateaubriand ne disait-il pas : «Tout le monde regarde ce que je regarde, mais personne ne voit ce que je vois» ? 

Quoique la démarche proposée par Luminet s’applique à l’Univers observable, tandis que les problèmes reliés à  la théorie des cordes sont dans l’Univers subplanckien, de quel côté y a-t-il le plus de chances de parvenir à une démonstration viable, d’un haut degré de certitude ? Dans les deux cas, on peut aussi se demander comment seraient bouleversées nos représentations symboliques et scientifiques de l’Univers, advenant le cas où des données observationnelles pouvaient un jour soutenir ces théories.

• Dans le prochain article, on passera du chiffon de l’Univers à la mousse quantique et explorerons d’autres facettes de nos représentations.
• On peut aussi consulter l’article précédent – Peindre avec l’espace-temps – pour explorer ce thème sous un angle différent.
• Pour qui aurait un esprit aventureux, un traité complexe et fascinant  de Roger Penrose: The Road to Reality, A complete Guide to the Laws of the Universe, un des ouvrages les plus exhaustifs à ce jour sur les problèmes reliés à la cosmologie.

Apostilles

2007-05-13

Eh oui, des enthousiastes de la XBox s’intéressent même à ce sujet, même si cela peut paraître surprenant. Rendons leur hommage ! 

2008-02-19

Vous pouvez maintenant lire le troisième article de cette sérier: TOPOLOGIE COSMIQUE 3 : Mousse quantique ? ,  où il est question de la compréhension de la géométrie de l’espace et du temps, mais dans des dimensions infimes.

NIVEAU 201
Bibliothèque de signets

Luminet - Topologie cosmique

Ce soir, pour la première fois depuis au moins un an,
je regarde le ciel étoilé. Je le trouve petit.
Est-ce moi qui grandit ou l’univers qui se rétrécit ?
Ou les deux choses à la fois ?

SALVADOR DALI
Journal d’un génie

Cet essai impressionniste sur l’espace-temps utilise les métaphores de la photographie, de la peinture et de la musique, dans une perspective non scientifique,  pour nous introduire  aux nouveaux paradigmes de perception abordés dans l’Univers chiffonné de Jean-Pierre Luminet. 

IMAGES DE L’ESPACE TEMPS
L’espace-temps des images

Au niveau microscopique, cette photographie n’est qu’un conglomérat d’atomes, nuages infimes d’électrons tourbillonnant autour du noyau, dans une configuration unique de la pellicule ou du papier à tirage, suite à l’excitation des sels argentiques par les photons. Mais en plus, au niveau macroscopique, devant la lentille du photographe Philippe Halsman, se déroule une mise en scène si surréaliste qu’il lui fallut 26 essais pour capturer, dans une sublime photographie, une vision tout à fait unique de l’essence de l’espace-temps de Salvador Dali !

Considérons-la momentanément comme un allégorie visuelle extraordinaire du principe d’incertitude de Heisenberg, une des portes d’entrée de la cosmologie contemporaine. Nous savons désormais, comme l’énonce Fritjof Capra dans Le Tao de la physique, “qu’au niveau subatomique, la matière n’existe pas avec certitude à des places définies, mais manifeste plutôt une «tendance à exister», et les événements atomiques ne surviennent pas avec certitude, mais manifestent plutôt des «tendances à survenir»”. On pourrait croire que ce concept fondamental de la mécanique quantique apparaît ici à notre échelle, dans cette photographie, à travers cette improbable juxtaposition d’objets capturés dans l’espace-temps. Pourrait-on conjecturer que ces chats fussent empruntés à Scrhödinger ?

Mais comme si cela n’était pas suffisant, on ne parle plus désormais de l’espace et du temps, mais bien de l’espace-temps, ces dimensions étant désormais indissociables. De telle sorte que dans cet espace-temps pictural, ces quatre dimensions sont figées irrémédiablement et astucieusement sous la forme d’une seconde allégorie pouvant nous rappeler que le Big Bang, cet instant de création fut avant toute chose une explosion d’espace-temps et non une explosion dans l’espace et dans le temps. Ainsi pourrait-on qualifier cet instant de création de Halsman, une explosion d’espace temps ayant laissé ses traces dans un portrait mémorable, fort justement intitulé Dali Atomicus.

Ce dernier siècle nous aura habitué à la naissance de nouvelles théories et de nouvelles images, telles que celles offertes par la cosmologie observationnelle. Elles s’inscrivent petit à petit dans la mémoire collective des Humains, comme ces représentations des premiers moments de l’Univers, par exemple. Cette variété de cartes thermographiques et spectrographiques, issues du traitement des données accumulées pendant les missions d’observation des sondes COBE et WMAP, rappelle que les scientifiques scrutent avec succès et avec de plus en plus de précision l’écho du rayonnement fossile de l’Univers. Elle apparaissent fréquemment dans les publications traitant de cosmologie, illustrant en fait les rides du temps, ces petites anfractuosités de l’Univers primordial.

Pour résumer brièvement, les cosmologistes croient que ces rides – ces infimes fluctuations de densité de la matière primordiale – combinées à la gravité, auraient conduit à la formation d’agglomérats se structurant en un réseau filamenteux pour produire les premiers amas de proto galaxies, berceaux des étoiles.

Ainsi, les données recueillies pendant ces missions d’observation orientent le travail d’autres scientifiques dédiés à la cosmologie computationnelle, leur permettant d’élaborer des scénarios de formation des premiers amas, en tentant de les représenter dans un espace tridimensionnel.  Ce genre de simulation cosmologique permet finalement d’extrapoler également l’existence de cet immense réseau de galaxies, s’étendant sur des distances astronomiques : des milliards d’années-lumière. Même si elles ne sont que des représentations d’un phénomène physique, et en dépit du fait que l’interprétation de leur contenu n’est pas toujours aisée, ces images marqueront à jamais l’histoire de la cosmologie. Il est difficile, pour la plupart des gens, de concevoir comment plus d’une centaine de milliards de galaxies, plusieurs comportant aussi plus de cent milliards d’étoiles, peuvent s’étendre dans l’espace; ces nombres dépassent l’entendement.

Mais ces images émanant du monde scientifique, de manière identique à ces médiévales cartographies célestes maintenant accrochées dans les musées – réels ou virtuels – indiqueront aux générations futures que notre quête de sens ne cesse de modifier nos représentations. Nous sommes passés des enluminures du Moyen Âge aux subtilités de l’interprétation de données numériques, recueillies par des capteurs voyageant dans l’espace intersidéral. Elles n’en demeurent pas moins le produit de notre besoin de nous représenter visuellement l’Univers dans lequel nous habitons.

En deux métaphores visuelles, parmi tant d’autres aisément accessibles sur le réseau Internet, se résument ainsi un long chemin parcouru par la matière, pendant des milliards d’années, pour nous conduire ici et maintenant ! Dans un article précédent, quelques questions ont été abordées relativement à la géométrie de l’espace de l’Univers. Il faut reconnaître que sa topologie, c’est à dire sa forme globale, dépend de ces rides se manifestant dans son état primordial.

Ce problème topologique se pose différemment selon l’échelle à laquelle on désire le traiter. Le langage écrit et la grammaire visuelle peuvent parfois conduire à des erreurs d’interprétation et à une distorsion de nos représentations. Suffit-il de rappeler que nous interprétons des objets en trois dimensions dans un domaine à deux dimensions sur la page ou à l’écran. En plus, la topologie cosmique est une discipline assez nouvelle, si on la compare à d’autres disciplines auxquelles recourt la cosmologie. Des perspectives novatrices sur la résolution de ce problème sont d’ailleurs proposées par Jean-Pierre Luminet, auteur de L’univers chiffonné.

Avant de discuter de cet essai, un retour dans l’histoire de la photographie et de la peinture peut servir de cadre de référence, alors que s’amorce un virage de notre interprétation de l’espace-temps. Cette histoire nous aide à comprendre comment la révolution de l’espace pictural peut influencer notre compréhension des phénomènes cosmologiques, puisque le langage des images est en mutation.

PEINDRE AVEC LA LUMIÈRE
L’abandon du mode figuratif

Cette survivance d’une des premières photographies de William Henry Fox Talbot - la fenêtre Oriel de la Galerie Sud à Leacock Abbey dans le Wilthsire où il vivait – pourrait nous faire croire que les peintres ont été contraints d’abandonner les représentations figuratives, les photographes s’étant substitués à eux pour peindre à partir d’un pinceau de photons traversant la camera obscura, se déposant sur la pellicule argentique. Ce pourrait être une des causes principales de la révolution de l’espace pictural. Dans son essai Pour comprendre les média, traitant des prolongements technologiques de l’homme, Marshall McLuhan nous ramène au milieu du XIXème siècle, alors que ce célèbre photographe présente à la Royal Society un savant mémoire intitulé : «Exposé sur l’art du dessin photographique, procédé par lequel on peut amener les objets de la nature à se dessiner eux-mêmes sans la contribution de l’artiste».  Cette révolution photographique revêt un caractère déterminant dans l’histoire, selon lui :

La photographie, en effet, reflétait automatiquement le monde extérieur et en donnait une image fidèlement reproductible. C’est ce caractère primordial d’uniformité et de répétition qui avait constitué la rupture gutenbergienne entre le Moyen Âge et la Renaissance. La photographie a été un élément presque aussi déterminant du passage de l’ère de l’industrialisation mécanique à l’ère graphique de l’homme électronique. C’est l’invention de la photographie qui marqua le passage de l’homme typographique à celle de l’homme graphique. 

On reconnaîtra aujourd’hui que la photographie a eu un impact immense sur la cosmologie observationnelle, dès le moment où les astronomes ont pu capturer les photons provenant des lointains objets célestes. Des photons lointains non seulement dans l’espace, mais aussi dans le temps faut-il rappeler. Mais elle ne constitue qu’un premier pas vers une autre révolution qui s’amorce au niveau de nos représentations : l’avènement d’images de synthèse permettant désormais de nous représenter l’Univers non seulement dans la manifestation de ses objets célestes, mais aussi dans sa manière d’habiter l’espace cosmique.

Revenons un instant sur les qualités de l’espace pictural, en délaissant l’univers figuratif du portrait. Les peintres ont pu exploiter de nouvelles dimensions, nous propulsant dans un univers abstrait, où la perspective introduite à la Renaissance est mise de côté. Cependant, dans le cas de Salvador Dali, il continue à y recourir et conserve la forme figurative à d’autres fins. Il permet aux objets d’échapper à leur volume et de s’éclater en dehors du cube euclidien pour épouser un espace courbe. On pourrait croire que ses montres molles expriment l’élasticité du temps et de l’espace. Émaneraient-elles d’une conversation entre lui et Einstein et cela ne nous surprendrait pas. Son tableau Persistance de la mémoire (1931) serait un exemple typique. Cette analogie est fréquemment proposée par les critiques d’art; est-elle uniquement une intuition interprétative dans leur imagination ou fait-elle vraiment partie du propos de Dali ?

Si on désirait faire une analogie avec notre conception de l’espace qu’occupe l’Univers, cette révolution picturale pourrait être considérée comme équivalente du passage de l’espace rigide newtonnien à l’espace-temps flexible einsteinien. Lorsque nous tentons de nous représenter la topologie spatiale de l’Univers, la révolution relativiste impose un changement de paradigme de la perception de l’espace et du temps. Les dimensions spatiales et temporelles n’étant désormais plus séparés; une plus grande ouverture d’esprit permet de concevoir le Monde autrement, même à travers les gestes du quotidien.

À titre d’exemple, la prochaine fois que vous donnez rendez-vous à un ami et que vous conduisez votre automobile ou empruntez un transport en commun, tentez d’imaginer que votre rendez-vous a lieu dans quatre coordonnées différentes – trois pour l’espace, le coin de rue ou la devanture de restaurant – et une quatrième pour l’heure à laquelle vous allez vous rejoindre. Si par mégarde ce rendez-vous se passait la fin de semaine où l’heure change, et qu’accidentellement vous ou votre connaissance aviez oublié d’ajuster votre montre, vous vous retrouverez seul. Et lorsque que vous vous rejoindrez ensuite au téléphone, un peu plus tard dans la journée, pour faire part de l’absence de l’autre, vous pourrez bien sûr prétexter, l’un ou l’autre : «mais j’étais là, à tel coin de rue et tel restaurant»… Vous vous rendrez compte qu’il y avait une dimension dans laquelle vous ne vous êtes pas rencontré : dans le temps !

Je demeure dans un espace urbain où il est possible de se déplacer entre deux points par le réseau souterrain du métro. Au moment où la rame s’enfonce dans le tunnel, propulsée par ses moteurs électriques vers un autre point de la ville, mon imagination  débordante me donne parfois l’impression d’être à bord d’une machine incroyable, que nos ancêtres n’auraient jamais imaginé. J’établis même, avec un certain plaisir, un parallèle avec ce grand tunnel de l’accélérateur de particules LHC du CERN, cet immense tunnel de vingt-cinq kilomètres de diamètre. Ne suis-je pas véhiculé à destination par l’énergie électrique, utilisant l’énergie contenue au coeur de la matière de notre Univers ? N’est-ce pas merveilleux, même si nous voyageons encore à des vitesses que nos descendants lointains trouveront sans doute ridicules !

Cette analogie peut paraître tout à fait banale, mais elle illustre assez bien que l’espace et le temps sont intimement reliés ! Donc, après ces considérations sur le monde des représentations, comment un scientifique peut-il apporter des perspectives vraiment différentes, même à la lumière des dernières percées de la cosmologie ? Il y a encore tout un monde à explorer dans nos représentations de l’Univers et même des surprises épistémologiques !

C’est le sujet du prochain article : TOPOLOGIE COSMIQUE 2 : L’Univers est-il chiffoné ?

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Topologie-cosmique - Simulation cosmologique – Cosmologie computationnelle

L’article d’Abraham Loeb – The Dark Ages of the Universe – expose de nouvelles perspectives d’observation du spectre électromagnétique de l’Univers. Il permet de réaliser que le discours philosophique de François Foulatier est toujours d’actualité.

LE ROMAN COSMOGONIQUE
Qu’est-ce qui se trame ? 

Si un ami vous demande qu’est-ce qui vous intrigue dans la cosmologie, vous pourriez répondre en Jésuite sans vous étendre dans de longues considérations. La réponse est dissimulée dans la question : l‘intrigue ! Voilà la forme romanesque.

À quel genre d’intrigue doit-on s’attendre alors en étudiant la cosmologie ? Le numéro de novembre du Scientific American en propose une excellente : comment peut-on comprendre la succession de phénomènes survenus pendant l’âge sombre de l’Univers, avant son passage de l’opacité à la transparence ? Comme nous ne disposons pas de données observationnelles pour cette période, comment peut-on aussi rétablir cette chronologie ?

Rappelons que les premières traces résiduelles et observables du Big Bang résident dans le rayonnement fossile, tel qu’exposé dans l’article sur le Nobel de physique 2006 attribué aux chercheurs principaux du projet COBE.

POUR LA SCIENCE
L’état des faits

Scientific American: The Dark Ages of the Universe [ COSMOLOGY ]
Astronomers are trying to fill in the blank pages in our photo album of the infant universe

Les astronomes essaient de remplir les pages blanches de l’album photo de l’Univers, dans son enfance… Cette analogie est intéressante – cet album à remplir est le roman cosmogonique, pour reprendre la perspective philosophique de François Foulatier, ayant exploré les différentes facettes de l’élaboration du discours scientifique cosmologique il y a près de 20 ans, déjà. Nous exposerons plus loin pourquoi son discours demeure tout à fait actuel. Considérons d’abord l’énigme sous sa perspective scientifique.

Soulignons que pour pour profiter au maximum de l’article d’Abraham Loeb, il est préférable de se faire une idée sur comportement du medium intergalactique, ces espaces plus ou moins vides de l’Univers (1) et d’être au fait des théories les plus récentes sur la naissance des étoiles (2), dont la formation des protogalaxies qui en seraient le berceau. Comme cet article expose avec détails les enjeux reliés à une observation de l’âge sombre, effectuons plutôt un survol.

Le premier volet nous confronte à l’absence de données observationnelles sur l’âge sombre. L’auteur rappelle que le lancement du téléscope James Webb (JWST) - le remplaçant d’Hubble – permettra d’obtenir des images d’objets célestes plus jeunes – quelques centaines de millions d’années, à l’époque de la naissance des premières protogalaxies. Cette nouvelle  mission d’observation couvrira quatre objectifs scientifiques : La fin de l’âge sombre ; la formation des galaxies et leur regroupement en amas; la naissance des étoiles et des systèmes protoplanétaires et enfin les systèmes planétaires et l’origine de la vie.  Mais cette mission aura lieu en 2013…

Pour le moment, les données à la disposition des scientifiques ne permettent pas d’obtenir un portrait précis des protogalaxies, ni d’observer d’autres types d’objets célestes qui se seraient formés à cette époque. Les images exceptionnelles de la mission Hubble, dévoilées en 2004 (3),  conduisent à une époque un peu moins ancienne de l’histoire de l’Univers…

Le second volet nous introduit la succession des phases d’organisation de la matière, à partir du plasma initial jusqu’à la formation de petites agglomérations complexes permettant la naissance des premières étoiles : les protogalaxies. L’auteur souligne que notre conception habituelle des galaxies doit être nuancée, considérant qu’elles sont plus une agglomération de matière sombre qu’une simple collection d’étoiles. Elles auraient émergé dans des régions un plus denses et se seraient formées en raison de la force gravitationnelle, malgré les forces en jeu provoquant l’expansion de l’espace. On peut imaginer ce processus de formation, dès lors, comme une espèce de combat entre une force centripète – la gravité – et une force centrifuge – l’expansion de l’espace.

Le troisième volet aborde le sujet le plus intéressant, mais le plus complexe : comment voir dans la noirceur, dans cet âge sombre. L’auteur suggère que l’hydrogène initial pourrait émettre une forme de lumière faible, potentiellement détectable dans de futures missions d’observation. Il fait un exposé théorique sur l’oscillation de trois températures distinctes variant en fonction d’une propriété des électrons : le spin.

Il pourrait donc être possible de vérifier les écarts de cette première température avec la température cinétique (la mesure du mouvement des atomes) et la température de la radiation (énergie des photons). Pour soutenir cette mesure d’écart de température, il expose trois phases successives de transition entre différents états de l’hydrogène, la première survenue 10 millions d’années après le big bang, la seconde 100 millions d’années et enfin une troisième au moment de l’apparition des trous noirs et des étoiles.

La description de ces trois phases d’oscillation entre les températures conduirait à observer l’émission du spectre de ces phénomènes dans une longueur d’ondes de 21 cm, qui pourrait être plus brillante, ou moins, que le rayonnement fossile, mais suggère aussi que ces longueurs d’ondes soient observées à 210 mètres ou à 1 ou 2 mètres. Pourquoi ? Dans le premier cas, le facteur d’expansion de l’Univers, depuis le début de l’âge sombre, serait de 1000 et depuis la fin de l’âge sombre de 100.

Mais ce qui est plus intéressant à considérer, en fonction de ce cadre théorique, c’est qu’il conduit à différents scénarios qui devraient permettre de produire une nouvelle cartographie – similaire à COBE & WMAP, mais en trois dimensions cette fois; donc une espèce de tomographie de l’espace primitif de l’Univers. Ceci conduira donc les scientifique dans un nouveau périple observationnel qui renforcera encore plus le caractère scientifique de la cosmologie.

UN HISTOIRE À SUIVRE…
De nouvelles observations

Une fois de plus s’élargit le champ d’observation de la cosmologie. Les observations de COBE, suivies par celles de WMAP et de PLANCK ont procuré de riches enseignements aux scientifiques. Voilà que de nouveaux horizons s’ouvrent pour explorer des dimensions non observables dans l’immédiat. Quatre observatoires apparaissent sur ce nouvel itinéraire de recherhce. Nous ne les connasions pas avant la lecture de cet article. Ce sont quatres nouvelles portes vers l’infini qui produiront de nouveaux résultats de recherche, pour alimenter les scientifiques dans cette incessante quête. Nous allons les explorer et revenir ultérieurement.

En attendant, en voici les clés :

• Mileura Widefield Array (MWA) – 8000 antennes – de 1 à 3 mêtres – parmi les projets intéressants, à noter la recherche de la signature des premièeres étoiles.
• Low Frequency Array (LOFAR) – Remplaçant les radio-téléléscopes traditionnels, premier utilisant une matrice d’antennes multidirectionnelles, selon des concepteurs. 5 projets de recherche majeurs : Époque de la réionisation, sondage extragalactique de l’espace profond, sources transientes, rayons cosmiques ultra-haute énergie et pulsars.
• Primeval Structure Telescope (PaST) – Composé de 10 000 antennes étendues sur un territoire de plusieurs kilomètres, en Chine, ce radio téléléscope devrait être en mesure de produire un portrait des cieux dans un spectre de 50 à 250 Megahertz.
• Square Kilometer Array – 5 grands projets de recherche dans la section SKA Science – projet de radio téléscope très ambitieux, mais opérationnel en 2019 – la cosmologie de la prochaine décade.

LIRE, RELIRE LE ROMAN
Une intrigue, est-ce vouloir connaître la fin ?

Quels sont les enseignements qui peuvent être tirés de la complexité de la recherche cosmologique, aujourd’hui ? Quand François Foulatier intitule son essai philosophique Le roman cosmogonique en 1988, il a fort raison avant même de tenter toute démonstration : le roman n’est-il pas une intrigue dont on ne connaît pas la fin ?

On peut soutenir que le roman cosmogonique a une intrigue qui se distingue fondamentalement de la trame romanesque habituelle sous un aspect bien précis : non seulement n’en connaissons-nous pas la fin, mais nous n’en connaissons pas plus le début.

Ce vide, cette absence de discours à ses deux extrémités le rend doublement intriguant, d’autant plus que nous pouvons facilement imaginer qu’il n’y aura probablement jamais de tome final. Ce roman demeurera à tout jamais un grand livre ouvert auquel s’ajoutent chaque jour de nouvelles pages pleines et de nouvelles pages vides.

• Les pages pleines proviendraient principalement des secteurs de recherche liés à l’astrophysique expérimentale – ou cosmologie observationnelle – qui s’occupent de fournir des résultats corroborant les théories prédictives. L’attribution du prix Nobel de physique 2006, suite à l’évolution de la recherche sur le rayonnement fossile, est un très bon exemple.
• Les pages vides aujourd’hui proviendraient des théories prédictives dont nous héritons, ou elles apparaitront demain comme nouvelles théories prédictives qui surgiront, soit à la suite des résultats de nouvelles expériences ou au gré du génie créatif des théoriciens qui devancent souvent les expérimentateurs.

Comme nous l’avons déjà mentionné dans un autre article, les nouveaux résultats qui seront obtenus au LHC du CERN, par exemple, corroboreront probablement les théories prédictives actuelles, en répondant aux questions actuellement en suspens. Mais on peut imaginer qu’à leur tour ces nouvelles réponses risquent de soulever d’autres questions qui nous sont encore inconnues. Ainsi, s’ajouteront simultanément des pages pleines au roman et de nouvelles pages vides.

Les simulations informatiques sont évoqueés dans la série d’articles en cours - Calculons-nous mieux que l’Univers ? – dans le blogue principal. François Foulatier, de sa lunette philosophique, a très bien expoé le problème épistémologique incontournable de la cosmologie, il y a près de vingt ans, dans l’introduction de son essai. Elle mérite d’être soulignée à nouveau.

Une autre raison de le dire fictif [le récit] est qu’il concerne des événements qui ne sont pas reproductibles du fait, d’une part, de l’irréversibilité de l’évolution et, d’autre part, des énormes quantités de temps nécessaire. Toutes les expérimentations sur lesquelles le récit s’appuie, à titre de preuves, ne sont dont que des simulations qui produisent un analogue de l’événement étudié et ne peut apporter au récit que des indices de vraisemblance.

Sa remarque, semblant s’appliquer particulièrement au récit des origines de la vie, est tout aussi applicable, sinon plus, au récit des origines de l’Univers – la cosmogénèse. Les conditions expérimentales en biologie peuvent être plus faciles à déployer que celles en cosmologie observationnelle. Cette dernière doit disposer de moyens immenses, dont ces cathédrales souterraines comme le LHC du CERN. Rappelons que dans ce fameux tunnel de 25 kilomètres de circonférence, des particules subatomiques pourront en faire le tour 10 000 fois par seconde.

La machine la plus gigantesque au monde pour travailler sur la matière la plus infime est sans doute la merveille du 21ème siècle, mais elle ne suffira pas à répondre à nos incommensurables questions.

UNE INTRIGUE
Mais sans début ni fin

Le schéma suivant résume visuellement l’hypothèse de cet article.

• Les deux zones horizontales dépeignent les deux champs d’investigation de la cosmologie.
  • En rangée supérieure, il y a l’Univers observable par instrumentation et manipulable en laboratoire, dans une échelle cosmologique accessible.
  • En rangée inférieure, il y a l’Univers subplanckien, c’est-à-dire les phénomènes qui pourraient s’être produit dans un temps inférieur à 10^-43 seconde après un moment d’origine et en deçà d’une dimension de 10^-33 centimètre. Vous avez bien lu 33 ou 43 zéros après le point et précédent le 1, une décimale infime. C’est le Mur de Planck ! En deçà de ces limites, il est impossible pour le moment d’évaluer si les lois actuelles de la gravitation, par exemple, peuvent s’appliquer à cette échelle. C’est une barrière qui pose vraiment obstacle à la recherche, d’autant plus qu’il est fort peu probable qu’on puisse recréer expérimentalement de telles conditions. À la limite, on pourrait se contenter uniquement de simulations informatiques.
• Les pages blanches, encadrées en noir, représentent les théories prédictives pour lesquelles il n’existe pas de réponse, à un des trois moments de l’histoire – hier, aujourd’hui et demain - aucune recherche en cours n’a pu – ou ne pourra peut-être – corroborer la théorie dans son entier.
• Les pages lignées, encadrées en vert, représentent les théories démontrées expérimentalement, sauf pour la dernière, pour laquelle il est possible que nous ne puissions jamais obtenir de réponse étant donné que c’est une partie de l’Univers inobservable.

L’hypothèse la plus plausible, pour le moment, serait de considérer qu’il ne sera probablement jamais possible pour la raison humaine de connaître les deux extrémités du récit -roman, plus particulièrement en ce qui a trait aux phénomènes ayant survenu à l’échelle le l’Univers subplanckien.

C’est ce qui rend le roman cosmogonique si intéressant, et si intriguant, car il est au coeur des questions fondamentales que nous nous posons relativement à l’Univers.

Mais une des réponses favorites à cette intrigue est celle de Albert Jacquard, qui répond à la blague, mais non sans profondeur à cette question incontournable : « Qu’y avait-il avant ? » :

S’il n’y avait ni temps, ni espace, il ne peut pas y avoir d’y avait !

Et il y va de son calembour avec y avait, je vous laisse mijoter !

COMMENTAIRES
Questions

• Qu’est-ce qui vous intrigue dans la cosmologie ?
• Cet article vous ouvre-t-il d’autres pistes de réflexions ?
• Appréciez-vous ce genre de survol d’article
• Y-a-t-il des questions philosophiques cruciales à considérer devant ce type de recherche ?

On peut répondre ici !

NIVEAU 201
Bibliothèque de signets | Références

Age sombre - Pour suivre les développements les plus récents à ce sujet, au fur et à mesure qu’ils sont repérés par l’auteur.

1. Scientific American: The Emptiest Places
   Space comes in degrees of emptiness, but even in the wasteland between galaxies it is not a complete void
2. Scientific American: The First Stars in the Universe
   Cet article publié pour la première fois dans le numéro de décembre 2001, apparaît dans un numéro spécial complètement dédié à la vie des étoiles.
3. Hubble’s Deepest View Ever of the Universe Unveils Earliest Galaxies
   HUBBLE SITE news center, News Release Number: STScI-2004-07, March 9, 2004 09:30 AM (EST).

APPELONS UN CHAT UN CHAT
Et un blogue un blogue… 

Mon intérêt pour la cosmologie est une activité de recherche personnelle. L’attribution du Nobel de physique 2006 à deux scientifiques ayant cartographié les traces résiduelles de l’explosion initiale de l’Univers est le premier événement scientifique que je tente de disséquer…

En tentant de résumer leur recherche, j’ai interprété candidement certains faits au niveau de la géométrie de l’Univers. De généreux lecteurs ont éclairé mon erreur de raisonnement. Désormais la prudence sera de mise avant de publier d’inutiles tirades. Belle leçon d’humilité, le suffixe 101, suivant le titre du blogue est justifié : débutant !

La cosmologie investigue également les phénomènes survenus au moment où l’opacité de la matière régnait. The Dark Age of the Universe, dans Scientific American de novembre, en traite avec détails. Je le lis très attentivement ne désirant pas bâcler un résumé, cette fois-ci.

Que les lecteurs du blogue univers zéro 101 le considèrent pour ce qu’il est : un blogue. Son auteur ne se réclame d’aucune formation scientifique, ni ne s’abrite derrière aucun diplôme : c’est un chercheur dilettante – dans le sens enthousiaste – et sans papiers, répétons-le.

Ce blogue est avant tout un portail conduisant aux meilleures sources d’informations repérées. En suivant les liens proposés dans ce blogue, on entre alors en contact avec la science, un peu plus.

Évitons de jouer au scientifique. L’article du Figaro.fr – Les frères Bogdanov perdent leurs procès contre Ciel et Espace – arrive à point nommé. Passer du Nobel à la fumisterie ne prend qu’un clic !