L’UNIVERS : Un roman cosmogonique – IV

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).