matiere sombre et energie noire

8/3/2019 Matiere Sombre Et Energie Noire

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Alain BouquetEmmanuel Monnier

MATIRE SOMBREET NERGIE NOIRE

Mystres de lUnivers

Prface de Trinh Xuan Thuan


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MATIRE SOMBREET NERGIE NOIRE


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Embarquement immdiat !Les hros dEinstein Commentles physiciens rinventent le monde

Robin Arianrhod

Le doigt de Galile Dix grandes idespour comprendre la sciencePeter Atkins

La surprenante histoirede la fe lectricitDavid Bodanis

Supercordes et autres ficelles Voyage au cur de la physiqueCarlos Calle

Quand meurent les neuronesWilliam Camu, Nicolas Chevassus-au-LouisPrface de Axel Kahn

Systme solaire, systmes stellaires Des mondes connus aux mondes

inconnusThrse Encrenaz

Quen pensez-vous M. Feynman ? Les lettres de Richard Feynman,prsentes par sa fille MichelleRichard Feynman

Isaac Newton Un destin fabuleuxJames Gleick

propos de rien Une histoire du zroRobert KaplanIntroduction de Stella Baruk

De linfini Mystres et limitesde lUniversJean-Pierre Luminet, Marc Lachize-Rey

Plus vite que la lumireJoo Magueijo

Ces nombres qui nexistent pasBarry Mazur

Lunivers dans tous ses clats Que se passe-t-il aux confins du cosmos ?Alain Mazure, Stphane Basa

Plante rouge Dernires nouvellesde MarsFrancis Rocard

Rien ne va plus en physique Lchec de la thorie des cordesLee Smolin

De limportance dtre une constante Les piliers de la physiquesont-ils solides ?Jean-Philippe Uzan, Bndicte LeclercqPrface de Franoise Combes

Mme pas fausse ! La physiquerenvoye dans ses cordesPeter Woit

Einstein / Gdel Quand deux gnies refont le mondePalle YourgrauPrface de Thibault Damour

paratre

LHomme sur Mars ?Charles Frankel

Le livre que nul navait lu A la poursuitedu De Revolutionibus de CopernicOwen Gingerich

Lune, la biographie autoriseDavid Whitehouse


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MATIRE SOMBREET NERGIE NOIREMystres de lUnivers

Emmanuel MonnierJournaliste scientifique

Prface de

Trinh Xuan Thuan

Alain BouquetDirecteur de Recherche au CNRS

Laboratoire dAstroParticule et Cosmologiede luniversit Denis Diderot (Paris 7)


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Illustration de couverture :La supernova SN1987 A dans le nuage de Magellan.

NASA

Dunod, Paris, 2003, 2008

ISBN 978-2-10-053930-7


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PRFACE

V

PrfacePar Trinh Xuan Thuan

En 1543, le chanoine polonais Nicolas Copernic assna un coup

norme la psych humaine en dlogeant la Terre de sa place centrale

dans lUnivers, et la relguant au rang dune simple plante tournant

autour du Soleil, comme toutes les autres. LUnivers ntait plus cr

pour le seul usage et bnfice de lHomme. Celui-ci ntait plus au

centre de lattention de Dieu. Depuis, le fantme de Copernic na cess

de faire des ravages. Si la Terre ntait pas au centre du monde, lastre

autour duquel elle tournait, le Soleil, devait ltre. Patatras ! Lastro-

nome amricain Harlow Shapley dmontre que le Soleil nest nulle-

ment au centre de la Voie lacte. Situ une distance de plus de lamoiti du rayon de la Voie lacte vers le bord, quelque 26 000

annes-lumire du centre galactique, notre astre nest quune simple

toile de banlieue qui fait le tour de la Voie lacte tous les 250 millions

dannes, une toile quelconque parmi les quelque cent milliards qui

composent la Voie lacte. Au dbut du XXe sicle, certains pensaient

que le monde se rduisait notre Voie lacte. Lastronome amricainEdwin Hubble dmontre en 1923 quil existe dautres galaxies situes

bien au-del de la Voie lacte, confirmant ainsi lintuition gniale du


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MATIRE SOMBRE ET NERGIE NOIRE

VI

philosophe allemand Emmanuel Kant qui avanait dj en 1775 lexis-

tence dautres Univers-Iles . Nous savons aujourdhui que la Voielacte nest quune galaxie parmi les quelque cent milliards qui

peuplent lUnivers observable dont le rayon stend 14 milliards

dannes-lumire, chaque galaxie tant compose dune centaine de

milliards de soleils. Lhomme sest considrablement rapetiss dans

lespace. La Terre nest plus quun grain de sable dans le vaste ocan

cosmique. Certains astrophysiciens, comme le russe Andre Linde,pensent que laction du fantme de Copernic est encore plus

dvastatrice : notre Univers nest quun parmi une multitude dUnivers

dans un mta-Univers. Ce dernier, infini et ternel, gnrerait sans

arrt de nouveaux Univers en gonflant et dcuplant le volume de

minuscules rgions despace.

Ce rapetissement considrable dans lespace correspond un rapetis-

sement aussi spectaculaire dans le temps. Lhomme nest quun clin

dil dans lhistoire cosmique. Si les 14 milliards dannes de lUnivers

sont comprims en une seule anne, le big bang aurait lieu le 1er janvier

et lpoque actuelle correspondrait minuit le 31 dcembre. Lvolu-

tion cosmique se droulerait ainsi. La Voie lacte natrait le 21 fvrier,le systme solaire et son cortge de plantes ferait seulement son appa-

rition le 3 Septembre, aprs que les trois-quarts de lanne se seraient

couls. Les premires cellules de vie sur Terre entreraient en scne le

23 septembre. Le dveloppement du vivant poissons, vertbrs,

insectes, reptiles, dinosaures, mammifres, oiseaux, primates

surviendrait dans la seconde moiti de dcembre. Quant lespcehumaine, tout son dveloppement se droulerait au soir du 31 dcem-

bre. Lhomme civilis ne fera son entre qu la dernire minute de


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PRFACE

VII

lanne. Il inventerait lagriculture 23 h 59 mn 17 s, et commencerait

fabriquer des outils en pierre 23 h 59 min 26 s. Lastronomie verraitle jour 23 h 59 min 50 s, suivie de prs par lalphabet

23 h 59 min 51 s et par la mtallurgie du fer 23 h 59 min 54 s. De

grands hommes feraient leur apparition pour guider les hommes dans

leur vie spirituelle : Bouddha 23 h 59 min 55 s, le Christ

23 h 59 min 56 s et Mahomet 23 h 59 min 57 s. La Renaissance et la

naissance de la science exprimentale surviendraient la dernireseconde de lanne, 23 h 59 min 59 s. Nous sommes maintenant

minuit, ayant march sur la Lune et connect la Terre entire en un

village lectronique global, mais aussi ayant gravement compromis

lquilibre cologique de notre plante.

Lhomme nest donc plus central dans lUnivers, ni dans lespace nidans le temps. Mais cela nest pas tout, et le fantme de Copernic

continue faire des siennes. Ainsi, de faon plus tonnante encore,

nous avons appris que la matire dont nous et les objets qui nous

entourent sont constitus, compose de protons, de neutrons et dlec-

trons, nest pas ce dont est fait la vaste majorit du contenu de

lUnivers. Encore plus surprenant, la matire lumineuse, celle des toi-les et des galaxies, constitue plutt lexception que la rgle. La plus

grande partie de lUnivers est faite de substance noire qui nmet

aucune sorte de rayonnement, visible ou autre. Non seulement nous

noccupons plus le centre de lUnivers, nous ne sommes mme pas

constitus dune matire semblable au reste de lUnivers ! Cette matire

noire mystrieuse est le sujet du beau livre dAlain Bouquet etdEmmanuel Monnier. Ils nous racontent avec brio et dans un langage

simple, prcis et clair comment les astronomes ont dcouvert lexis-


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VIII

tence de cette masse cache et les efforts fantastiques dploys pour

dterminer la quantit totale et cerner la nature de cette composantemystrieuse de lUnivers. Ils nous dvoilent les pripties et les rebon-

dissements, les succs mais aussi les dceptions et checs de cette traque

acharne de la matire sombre. Au passage, nous faisons la connais-

sance de personnages hauts en couleur comme lexcentrique mais

gnial Fritz Zwicky qui, le premier, avait entrevu en 1933 lexistence de

cette masse sombre en mesurant les vitesses des galaxies dans lamas deComa : celles-ci se dplaaient bien trop vite pour tre retenues par la

gravit de lamas si celui-ci ne contenait que de la masse lumineuse.

Pour que les galaxies ne sparpillent pas dans lespace, lamas doit

contenir au moins dix fois plus de masse sombre que de masse lumi-

neuse. Cette masse sombre peut tre soit attache aux galaxies, soit

dissmine dans lespace intergalactique. Zwicky avait soulev un sacrlivre car depuis, la masse sombre de lUnivers na pas cess dobsder

et de hanter la conscience des astrophysiciens. En mesurant les vitesses

des toiles et du gaz dans les galaxies et celles des galaxies dans les amas,

ou en utilisant ces derniers comme de gigantesques lentilles gravita-

tionnelles dont la masse dvie la lumire des galaxies lointaines, ils se

sont aperus que la masse sombre tait omniprsente dans toutes lesstructures de lUnivers, des chtives galaxies naines jusquaux immenses

superamas de galaxies, en passant par les galaxies normales et les grou-

pes de galaxies.

Le recensement du contenu total de lUnivers est de la plus haute

importance pour dterminer son volution et prvoir son futur. Le sortde lUnivers dpend de lissue du combat titanesque entre deux forces

opposes : la force de lexplosion primordiale qui dilue lUnivers et la


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PRFACE

IX

force de gravit exerce par toute la matire, qui attire et soppose

lexpansion universelle. Si la premire gagne, lexpansion sera ternelleet lUnivers continuera se diluer et se refroidir sans fin. Par contre si

la densit de matire dans lUnivers est suprieure une densit dite

critique de trois datomes dhydrogne par mtre cube, la gravit

lemporte, lUnivers atteindra un rayon maximum, et seffondrera sur

lui-mme dans un big bang lenvers, un brasier infernal appel big

crunch. En faisant linventaire du contenu de lUnivers, nous noussommes aperus que les toiles et les galaxies faites de matire ordinaire

(protons et neutrons) ne constituent quune fraction infime (0,5 %) de

la densit critique. Les mouvements des toiles dans les galaxies nous

disent que la masse sombre autour de celles-ci contribue pour peu

prs dix fois plus la densit critique, soit de lordre de 4,5 %. On sait

que cette masse sombre est aussi compose de matire ordinaire : lesabondances des lments chimiques lgers primordiaux, comme

lhlium et le deutrium, fabriqus pendant les trois premires minutes

de lUnivers et constitus aussi de protons et de neutrons, nous le

disent. Sous quelle forme se cache cette matire noire ordinaire autour

des galaxies ? Priv de lumire, lastronome est littralement dans le

noir ! De nombreux candidats ont t proposs : trous noirs, plantes,naines brunes et autres MACHOS . Mais, malgr des efforts prodi-

gieux pour en dnicher des quantits suffisantes pour rendre compte de

la masse sombre autour des galaxies, ils restent dsesprment absents,

et aucun na pour linstant soulev lenthousiasme du jury.

Mais le fantme de Copernic na pas fini sa tche. Les mouvementsdes galaxies nous disent quil existe une quantit de masse sombre

encore plus grande dans les amas, contribuant pour environ 30 % de la


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X

densit critique de lUnivers. Puisque la matire ordinaire ne peut

contribuer en tout et pour tout que pour 5 % de la densit critique,cela veut dire que les 25 % restants sont constitus de matire non

ordinaire. De nouveau, les astrophysiciens sont compltement dans le

noir quant sa nature. Certains pensent que cette matire exotique est

faite de particules subatomiques massives, appeles WIMPS ou

mauviettes , interagissant trs faiblement avec la matire ordinaire.

Daprs les thories de grande unification qui essaient de fondre lesquatre forces fondamentales en une seule, ces particules seraient nes

dans les premires fractions de seconde de lUnivers. Malheureuse-

ment, elles nexistent pour linstant que dans limagination dbride

des physiciens. Ce nest pourtant pas faute de les chercher. On a pens

pendant quelque temps que le neutrino tait un candidat viable, mais

sa masse sest rvle trop petite.

Avons-nous fait le recensement de tout le contenu de lUnivers ? Pas

tout fait. En 1998, des astronomes ont utilis comme balises de

lUnivers lointain des explosions dtoiles ges qui se dtruisent dans

un gigantesque vnement thermonuclaire on appelle ces explo-

sions trs lumineuses des supernovae de type Ia pour mesurer letaux de lexpansion de lUnivers. Ils furent tout bahis de dcouvrir

que le mouvement de fuite des galaxies, au lieu de dclrer, ralenti par

la force de gravit attractive du contenu matriel de lUnivers comme

lon sy attendait, sacclrait ! Force est dadmettre quil existe une

force antigravit dans lUnivers qui est rpulsive. Sous quelle forme

se manifeste cette antigravit ? Personne ne connat la rponse.Certains physiciens pensent quelle est lie la densit dnergie du

vide quantique qui existait dans les tout premiers instants de lUnivers,


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PRFACE

XI

mais sa nature reste enveloppe de mystre. On lappelle, faute de plus

dinformations, l nergie noire . Celle-ci contribue hauteur de70 % de la densit critique, ce qui veut dire que lUnivers a exactement

la densit critique, caractristique dun Univers plat dont lespace

nest pas courb, et expansion ternelle.

Le fantme de Copernic a frapp trs fort. Nous vivons dans un

Univers-Iceberg dont 99,5 % du contenu nous chappe. cettediffrence prs que nous savons que la partie immerge de liceberg est

faite de glace, alors que nous navons aucune ide de la nature de la

masse et de lnergie noire. Faudra-t-il inventer une nouvelle physique

pour percer le mystre ? Quoi quil en soit, rendons hommage la

sagesse du renard quand il confiait au Petit Prince : Lessentiel est

invisible pour les yeux .

Trinh Xuan Thuan


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Prambule

Fragiles certitudes

La thorie du big bang, depuis quelques annes, affiche une sant inso-

lente. Aprs les dcennies de controverses qui ont suivi sa naissance, les

annes de doute, de remises en cause et de rafistolages plus ou moins

heureux, elle vole aujourdhui de succs en succs. Une jeunesse retrou-

ve quelle doit, en grande partie, un satellite : Cobe. En 1992, cet

assemblage de mtal en orbite ralisait ce que beaucoup dastronomes

considrent depuis comme lune des plus grandes avances scientifi-

ques du XXe sicle. De quoi sagit-il ? Dune simple photo. Mais qui

reprsente lUnivers tel quil tait 400 000 ans peine aprs le big

bang, et ralise partir des premiers rayons de lumire que le cosmos

nouveau-n sest mis mettre.Ce premier portrait, depuis, saffine. Les missions Boomerang,

Archops, Wmap et maintenant Planck, prvue pour septembre 2008,

en prcisent les dtails. Et le visage qui apparat ressemble toujours plus

ce que la thorie prvoyait, tout en donnant des pistes pour la

complter.

Du coup, les adversaires du big bang sont devenus inaudibles. peine consent-on, dsormais, les inviter par politesse quelques

congrs. On peut sen rjouir ou le regretter, mais les trublions du


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pass, indispensables poils gratter dune thorie lpoque incertaine,

sont devenus des marginaux aux cts de qui on rencle safficher.Eux-mmes sont bien obligs dadmettre, du bout des lvres, que les

piliers sur lesquels le big bang repose, apparaissent danne en anne

toujours plus solides. Comment, aujourdhui, remettre en cause le fait

que les galaxies se fuient mutuellement ? Ce qui ntait encore, au

dbut des annes 1930, quune simple hypothse dun abb astro-

nome, taye sur la foi dune loi que la postrit retiendra comme cellede Hubble, a t confirme, depuis, sur des dizaines de milliers de

galaxies diffrentes. Au point que lon peut aujourdhui parler de quasi-

certitude : oui, lUnivers est bien en train de se dilater.

Remontant le film en arrire, on en dduit trs logiquement et

scientifiquement quil tait donc, par le pass, plus petit, plus

dense et plus chaud. Jusqu atteindre des tempratures inoues deplusieurs milliards de degrs. Et dans cette incroyable fournaise, les

modles de la nuclosynthse nous dcrivent comment se sont

forms les premiers noyaux datomes. Une thorie formule pour la

premire fois un 1er avril 1948, par des chercheurs factieux. Mais

au-del de la farce, le gnie subsiste. Car personne na pu, jusqu

prsent, mettre en lumire la moindre observation qui la contredisedans ses fondements.

Quant au reste du dcor, il prend chaque jour plus dpaisseur. Et ce,

grce aux avances constantes de linstrumentation. Les premiers tles-

copes gants du dbut du sicle, ceux du Mont Wilson, puis du Mont

Palomar, aux tats-Unis, ont aujourdhui cd la place au Keck

Hawa ou au VLT au Chili, capables dobserver plusieurs milliardsdannes-lumire. Truffs dlectroniques, pilots distance, ils ont fait

entrer lastronomie dans une nouvelle re, sacrifiant la modernit la


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FRAGILES CERTITUDES

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posie des nuits dautrefois, que lon passait lil riv la lunette, dans

le froid glacial et la solitude des montagnes. En parallle, lessor de laradioastronomie et des instruments micro-ondes a ouvert de nouvelles

fentres dans lobservation du cosmos, rvlant des facettes restes

jusque-l dans lombre.

Consquence logique de cette course au progrs technique, les tles-

copes ont fini par quitter la Terre pour gagner lespace. Tout le monde

a en tte les fabuleux clichs dHubble, lanc en 1990 et dont la Nasa,aprs bien des atermoiements, semble aujourdhui dcide prolonger

lexistence. Mais dautres observatoires en orbite ont ralis, loin des

Les quatre coupoles du Very Large Telescope VLT, au Chili ( ESO)


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dcouvert, rcemment, que lexpansion de lUnivers, loin de ralentir,

serait au contraire en train de sacclrer ? Sous leffet de quelleforce ? Mystre

De toutes ces nigmes, il en est une qui rsiste depuis longtemps aux

efforts obstins des astronomes. La thorie du big bang ntait pas

encore chafaude quelle torturait dj certains esprits, renvoyant

une angoisse finalement vieille de plusieurs millnaires : et si le monde

que nous voyons ntait pas le vrai monde ? Sil nen tait quuneinfime partie, manipule telle une marionnette par un ensemble plus

vaste qui, dans lombre, lui dicterait sa loi ? On retrouve Platon et sa

fameuse caverne, peuple de trompeuses illusions. Le monde des Ides,

cher au philosophe grec, a juste cd sa place des concepts plus mat-

riels. Mais tout semble bien le confirmer : les myriades dtoiles que

nous observons, toutes les galaxies et autres objets lumineux, ne repr-senteraient quune portion ridicule peine quelques pour cents

de toute la matire que contiendrait lUnivers. Lessentiel resterait dans

lombre, se jouant de nos instruments pour tirer notre insu les ficelles

du cosmos. Comment le sait-on ? De quoi est compose cette matire

qui nous nargue ? Et quelle est son influence sur le destin de lUnivers ?

Comme les cosmologistes actuels, abandonnez vos fragiles certitudes.

Et laissez vous guider dans un royaume de fantmes pourtant bien

matriels.


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Acte I

Il manque de la matiredans lUnivers


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Les instruments dune controverse

Un excentrique ouvre la voie

Surpris, Fritz Zwicky reprend ses calculs. Vrifie dans les colonnes de

chiffres lerreur quil aurait pu commettre. Mais les quations, hlas,

sont ttues. Et lastronome suisse a beau semporter, profrer comme

son habitude deffroyables jurons, il doit se rendre lvidence : quel-

que chose ne tourne pas rond dans lUnivers quil observe.

Pourtant, en 1933, lastronomie a fait de grandes avances. On sait

dsormais que les myriades dtoiles qui scintillent dans le ciel sont

regroupes en galaxies et que certaines sont extrmement loignes.

Edwin Hubble, par une loi devenue clbre 1, vient de dmontrer que

ces galaxies sloignent globalement les unes des autres, dautant plus

vite quelles sont lointaines. Mais en les observant plus attentivement,

les astronomes se sont galement aperus que, paralllement ce grand

mouvement dexpansion gnrale de lUnivers, ces mmes galaxies

sorganisaient aussi en une multitude damas, vastes grumeaux cosmi-

1. La loi de Hubble snonce v = Hd, o vest la vitesse de la galaxie, dsa distance et Huneconstante exprimentale appele constante de Hubble.


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IL MANQUE DE LA MATIRE DANS LUNIVERS

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ques lintrieur desquels elles sattiraient les unes les autres dans un

gigantesque ballet.Cest ce ballet cosmique que Fritz Zwicky, install depuis peu au

California Institute of Technology(Caltech pour les initis), prs de Los

Angeles, sest mis en tte dtudier de prs. Et ce, au grand dam du

physicien Robert Millikan, figure emblmatique des lieux.

Un gnie aux ides loufoques

Grande gueule, violent et fantasque tte de pioche pour les uns, gnie de

lastrophysique pour les autres, Fritz Zwicky a laiss peu de ses confrres

indiffrents. Ce vieux fou de Fritz , comme certains lont rapidement

surnomm, nat le 14 fvrier 1898 Varna en Bulgarie, et passe son

enfance en Suisse. Citoyen helvtique, il reoit son doctorat de physique

en 1922 lInstitut fdral suisse de technologie de Zrich, avant derejoindre le prestigieux California Institute of Technology (Caltech) de

Pasadena (tats-Unis). Rapidement, il se passionne pour lastronomie,

en particulier ltude des novae. Et invente le concept de supernova, quil

dcrit comme lexplosion violente dune toile, accouchant dun nouvel

objet stellaire de son invention : ltoile neutrons. Il sera le plus grand

dcouvreur de supernovae de lhistoire. En 1933, il met lhypothsedune grande quantit de matire invisible dans les amas de galaxie.

Son inventivit se double, hlas, dun pouvantable caractre. Il terrorise

ses tudiants, injurie rgulirement ses confrres. Gotant peu la fausse

modestie, il avait aussi pour habitude, lors des colloques, dinterrompre

les confrenciers pour leur faire remarquer que les problmes quils

exposaient avaient dj t rsolus par lui-mme.

Jamais court daudace, Zwicky propose en 1948 de rendre habitables

les autres plantes du systme solaire et de modifier leur orbite autour


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LES INSTRUMENTS DUNE CONTROVERSE

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du Soleil pour rendre leur temprature plus favorable la vie. Dans les

annes 1960, il suggre ni plus ni moins de bombarder de particules leSoleil depuis la Terre, pour y perturber les ractions nuclaires. Lobjectif

tant de crer une pousse suffisante pour modifier la trajectoire du

Soleil et donc du systme solaire dans son ensemble pour voyager

ainsi vers les autres toiles.

Son esprit dbrid (certains diront drang) met galement au point le

concept de morphologie , une mthode de pense (utilise par la suite

en management) qui consiste rechercher la solution dun problme en

assemblant les diffrents lments qui le composent selon toutes les

Fritz Zwicky (Caltech)


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combinaisons possibles. Des combinaisons inattendues peuvent alors

apparatre, la plupart compltement loufoques, mais qui nourrissent lacrativit. Il appliquera cette technique ses propres recherches, mais

aussi lors de ses travaux de consultant pour la socit Aerojet de con-

ception de fuses.

Viscralement anticommuniste, Zwicky participera leffort spatial am-

ricain, engag en 1957 aprs lhumiliation du lancement russi par les

Sovitiques du satellite Spoutnik. Zwicky senorgueillira ainsi davoircontribu envoyer dans lespace, laide de fuses V2 allemandes, le

premier obus capable de vaincre lattraction terrestre pour gagner dfini-

tivement lespace. Fier dtre suisse, il refuse pourtant jusquau bout

dadopter la nationalit amricaine. Il steint, le 8 fvrier 1974, admir

par les uns, dtest par les autres.

Clbre pour avoir dtermin en 1911 la charge de llectron, Milli-

kan comptait en effet sur le jeune trublion suisse pour lassister dans

des recherches thoriques sur la mcanique quantique des atomes et

des mtaux. Mauvaise pioche, car la grande gueule , comme

commencent dj le surnommer ses confrres, ce touche--tout qui

papillonne dun sujet lautre, sest vite pris de passion pour lastro-physique. En particulier pour ltude des novae, qui ne cessent de

lintriguer. Le phnomne est connu depuis le Moyen ge : brusque-

ment, une nouvelle toile apparat dans le ciel en quelques jours, puis

disparat en quelques semaines. Parfois, cest au contraire une mme

toile, qui devient dix fois plus lumineuse, avant de revenir son acti-

vit normale. Des astronomes illustres, comme Tycho Brahe ou Kepler,auxXVIe etXVIIe sicles, avaient dj observ de telles humeurs clestes.

Mais leur nigme atteint, en ce dbut de XXe sicle, une profondeur


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dconcertante. Car il devient clair que certaines de ces novaeprovien-

nent, non pas de la Voie lacte, mais des autres galaxies, extraordinaire-

ment lointaines, que lon vient alors de dcouvrir. Consquence

logique : les plus spectaculaires de ces spots clestes , pour paratre si

lumineux de telles distances, ne peuvent correspondre qu des toilesqui sont devenues subitement plus dun milliard de fois plus actives.

Comme si elles avaient littralement explos. Zwicky se passionne

Explosion de la supernova de la boucle du Cygne (Nasa)


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pour ces monstres cataclysmiques quil baptise Supernovaeet se met

les chercher dans toutes les rgions accessibles du ciel.Caltech semble un lieu taill sur mesure pour assouvir ses ambi-

tions : le Mont Wilson, que lon entraperoit au loin, lorsque le temps

sy prte, abrite dj, depuis 1917, le plus grand tlescope au monde.

Un bijou de 100 pouces (2,5 m) de diamtre, financ par la fonda-

tion Carnegie et quEdwin Hubble lui-mme a utilis pour tablir sa

fameuse loi. On ne saurait, lpoque, trouver meilleur endroit surTerre pour pratiquer lastronomie.

Ces conditions exceptionnelles de travail, Zwicky les met profit

pour tudier, galement, sept galaxies qui se dplacent dans un amas

proche de nous : la Chevelure de Brnice (Coma Berenicesen latin, ou

plus simplement, Coma pour les connaisseurs). Cette rgion du ciel, qui

compte au total environ 2 500 galaxies, a dj t observe par Hubbleet son confrre Humason. Mais Zwicky a une ide prcise en tte :

valuer la masse totale de lamas.

Comment ? En tudiant les vitesses de ces sept galaxies. Et en saidant

des lois de Newton qui, depuis leXVIIe sicle, dcrivent avec une admira-

ble prcision la trajectoire des astres. Ces lois permettent, moyennant

quelques calculs, de relier la vitesse des objets aux masses qui les attirent.Cest avec elles quon dtermine, en particulier, la vitesse minimale que

doit prendre un corps quelconque pour se librer de lattraction terrestre

et gagner lespace. Inversement, connaissant par exemple la position et la

vitesse dun satellite qui tournerait autour de la Terre, on peut calculer

lattraction quil subit et en dduire la masse totale de notre plante.

Cest par des calculs similaires que Zwicky a imagin peser lamas deComa : la vitesse des diffrentes galaxies quil observe doit tre assez grande

pour empcher la gravitation de les faire seffondrer les unes sur les autres ;


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mais elle doit en mme temps tre assez faible pour que ces galaxies restent,

malgr tout, lies les unes aux autres au sein de lamas et ne sparpillent pasdans lespace. Lquilibre est dcrit par un thorme, dit du viriel . Pour

simplifier, ce thorme dit que lnergie cintique, due la vitesse des

galaxies, doit rester plus petite que celle de la gravitation, qui les retient dans

lamas1. On aboutit alors une relation simple entre la vitesse des objets et

la masse totale de lamas. Connaissant lune, Zwicky compte bien en

dduire lautre. Et vrifier si cette masse, obtenue ainsi, correspondgrossomodo la quantit de lumire plutt faible que lamas nous envoie.

Dans le sillage dUranus

Lide dutiliser les lois de la dynamique pour en dduire lexistence dune

masse cache nest pas nouvelle. Ds 1844, Bessel attribue des anomalies

dans le mouvement de ltoile Sirius un compagnon obscur unenaine blanche qui ne sera observe que 18 ans plus tard. Mais lexem-

ple le plus fameux reste la dcouverte, le 23 septembre 1846, de la plante

Neptune, qui vaudra un triomphe au savant franais Le Verrier. Cest lui,

en effet, qui avait prdit lexistence de cette plante et en avait calcul

lorbite. Comment ? En tudiant les irrgularits dans la trajectoire dune

autre plante : Uranus. Dcouverte par hasard en 1781 par William Hers-chel, Uranus tait activement tudi depuis. Mais son orbite posait pro-

blme. Elle ne cessait de scarter de sa trajectoire thorique, calcule

partir des lois de la mcanique cleste. Un cart qui a fini par atteindre

2 minutes darc en 1845. Intolrable pour les astronomes de lpoque, qui

doivent se rendre lvidence : ou les lois de Newton, sur lesquelles repose

1. En des termes plus orthodoxes, siTest lnergie cintique totale des galaxies et si Uest leur ner-gie gravitationnelle (ou nergie potentielle), cest--dire lnergie lie au puits de gravit que cretoute la masse de lamas, alors on doit avoir T


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toute la mcanique cleste, sont fausses, ou un corps massif une pla-

nte inconnue ? perturbe la trajectoire dUranus en lattirant vers lui.Cest cette deuxime hypothse que retient un jeune astronome anglais de

22 ans, John Couch Adams. En 1841, il part la recherche de cette nou-

velle plante et propose, quatre ans plus tard, une orbite au directeur de

lObservatoire de Greenwich. Hlas, celui-ci, qui ne fait gure confiance

son jeune collgue, ne diffuse pas ses rsultats. Une occasion rate pour la

science anglaise. Car de lautre ct de la Manche, Urbain Le Verriermne, depuis un an, ses propres recherches. Et dtermine son tour, par

une mthode diffrente, la position thorique de Neptune. Une position

quil transmet Johan Galle, astronome lobservatoire de Berlin, qui na

plus qu pointer son tlescope lendroit indiqu. Le systme solaire,

depuis, compte officiellement une plante de plus ! Confirmant, sil en

tait encore besoin, la validit de la mcanique newtonienne.

Neptune (Nasa)


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prcipiter vers le centre de lamas ou, au contraire, tourner en rond

autour de lui ? Une telle configuration changerait considrablement lersultat.

Autre cueil : comment estimer la masse visible de lamas ? Zwicky

sest bas sur des lois empiriques qui relient la masse probable dune

toile sa luminosit, cette dernire tant estime sur la foi de clichs

photographiques. Ces lois ont t plus ou moins valides partir des

toiles les plus proches du systme solaire. Mais quel crdit peut-onaccorder de tels chafaudages ? Les distances elles-mmes ont-elles t

correctement values ? Ce point est important car le thorme du

viriel introduit lnergie gravitationnelle, dans laquelle interviennent

les distances entre les galaxies. Or, les astronomes ne peuvent pas mesu-

rer directement la distance qui spare deux galaxies, mais uniquement

leur cart angulaire, cest--dire langle quelles forment dans le cieldepuis la Terre. On peut convertir cet angle en distance laide dune

formule trs simple de trigonomtrie, mais condition de connatre

leur loignement par rapport nous. Zwicky a donc eu besoin de

savoir, au pralable, quelle distance se trouve lamas quil tudie.

Il sest fi, pour cela, aux valeurs fournies par la loi de Hubble (d= v/H,

o dest la distance, vla vitesse avec laquelle lamas sloigne globale-ment de nous et H la constante dite de Hubble). Mais encore faut-il

quil y ait consensus sur cette loi, et en particulier sur la valeur de la

constante dite de Hubble quelle introduit. Car il suffit de la

prendre 10 fois trop grande pour que les distances calcules soient, en

retour, 10 fois trop petites. Ce qui conduit, au final, exagrer la masse

de lamas dun facteur 10 (cest, du reste, ce quil advint puisque laconstante de Hubble dgringolera, tout au long du XXe sicle, dune

valeur de 600 km/s/Mpc 70 km/s/Mpc).


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Tout cela fait dcidment trop dincertitudes pour asseoir un rsultat

aussi extravagant. Et Zwicky na pas laura suffisante pour convaincreles sceptiques. Dautant que les astronomes, lpoque, ont des ques-

tions beaucoup plus urgentes rsoudre : pour ou contre lexpansion

de lUnivers ? Le dbat fait rage et les esprits senflamment. Alors savoir

sil manque de la matire dans quelques amas

Dans les dcennies qui suivent, quelques publications sporadiques

ont beau confirmer de temps autre les calculs de Zwicky, il manque lacaution dun grand scientifique pour que le sujet soit jug digne

doccuper le devant de la scne. Les vitesses sont trop grandes ? La belle

affaire, rpond en chur la communaut des astronomes. Pourquoi ne

pas considrer, plus simplement, que ces amas ne sont que des

grumeaux temporaires de matire, que les galaxies sont libres de

quitter. Car la notion mme damas, jusquau dbut des annes 1960,nest pas vraiment admise. Lide que ces regroupements dtoiles puis-

sent tre des ensembles stables, et non des attroupements temporaires

destins se disperser dans lespace, ne sest pas encore impose dans

les esprits. Le big bang lui-mme, jusquen 1965, nest quune curiosit

thorique qui parat bien mal arme pour dtrner le modle domi-

nant dun Univers stationnaire et immuable.En revanche, il tait admis que le volume de lUnivers tait en

expansion. Il fallait donc que de la matire soit cre continuellement

pour le remplir. Pourquoi, ds lors, ne pas imaginer ces grumeaux de

galaxies, ces amas, comme des lieux privilgis de cration de matire,

comme des fontaines do jailliraient sans cesse de nouvelles

galaxies qui se disperseraient ensuite dans lespace ? Lide, aujourdhui,peut faire sourire. Mais elle nest, aprs tout, gure plus extravagante

que celle qui consiste admettre que toute la matire est apparue,


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cls comme outil astronomique. Et comme les ondes radio, dont la

longueur est plus grande que la lumire visible, ncessitent de grandesantennes, on se met dans les annes 1950 construire des radiotlesco-

pes gigantesques, tel celui de Manchester (Angleterre), de 81 mtres de

diamtre, plus connu sous le nom de Jodrell Bank.

10-6 nm

10-5 nm

10-4

nm10-3 nm

10-2 nm

10-1 nm

1 nm

10 nm

100 nm

103 nm = 1 m

100 m

1 000 m = 1 mm

10 mm = 1 cm

10 cm

100 cm = 1 m

10 m

100 m

1 000 m = 1 km

10 km

100 km


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Ces colosses de mtal dtectent rapidement, entre les toiles, de

grandes quantits datomes dhydrogne, bien trop froids pour rayon-ner la moindre lumire visible. Dcouverte de taille, puisque lensem-

ble de ces atomes qui errent dans lespace interstellaire reprsente, au

sein de certaines galaxies en forme de spirales, une quantit de matire

quivalente lensemble des toiles qui les composent. Lide quil reste

encore des quantits non ngligeables de matire dcouvrir

commence faire, dans les esprits, un peu de chemin.La deuxime rvolution instrumentale, partir des annes 1960,

sera lintgration massive de llectronique. Avec, tout dabord, larrive

des photomultiplicateurs, dont le principe est plutt simple : il sagit

de transformer larrive dun modeste photon, provenant dune toile,

en une grande gerbe dlectrons que lon pourra plus aisment mesurer.

Ce photon, aprs son long voyage dans lespace, est donc captur en finde tlescope par une grille mtallique, appele photocathode, qui

utilise lnergie du photon pour jecter un lectron. Cet lectron, aprs

avoir t acclr par un champ lectrique, va frapper une deuxime

grille qui rcuprera son tour son nergie (plus grande que celle du

photon initial) pour jecter plusieurs lectrons. Qui eux-mmes seront

acclrs avant de frapper une 3e grille, et ainsi de suite. En superpo-sant suffisamment dtages, on se retrouve la sortie avec de grandes

quantits dlectrons, quun appareil de mesure dtecte sans difficult.

Seul inconvnient : un tel instrument ne fait aucune distinction entre

un photon et celui qui frappe la grille juste ct. Il compte indiff-

remment tout ce quil ramasse, donne le nombre de photons quil a

reus, mais ne peut construire aucune image (cest une camra unseul pixel). Il ne peut donc tre utilis que pour mesurer le flux de

photons reus dans une direction donne du ciel.


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qui suggrent un mouvement global de rotation des galaxies, mritent

d'tre communiqus l'American Astronomical Society lors de sa pro-chaine sance, mais qu'elle ne peut pas, bien sr, les prsenter puisque

son bb n'a que quelques semaines. Face l'insistance de son tudiante,

il lui rappelle qu'elle n'est pas membre de cette socit et qu'elle ne peut

donc pas signer ses rsultats de son nom. Fort galamment , il lui pro-

pose de mettre le sien. Ce que Vera Rubin refuse. Son travail recevra

finalement un accueil glacial. Peu importe. Sa tnacit sera payante. Etelle deviendra, en 1965, la premire femme autorise travailler

l'observatoire du Mont Palomar. L'accs aux femmes en avait t en

effet jusque-l soigneusement interdit au motif imprieux que l'observa-

toire ne disposait que d'une seule... salle de bains.

Lorsqu'on lui propose, cette mme anne, un emploi au Carnegie Insti-

tute's Department of Terrestrial Magnetism, elle se retrouve encore unefois la seule chercheuse de l'Institut. Et sa demande incongrue de quit-

ter son bureau 15 H chaque jour, on lui rpond que son salaire sera par

consquent amput d'un tiers. La communaut scientifique finira malgr

tout par reconnatre son talent puisqu'elle sera lue, en 1981, membre de

la National Academy of Sciences et recevra, en 1993, la National Medal

of Science, la plus haute distinction scientifique aux Etats-Unis, pour sestravaux pionniers dmontrant que l'essentiel de la matire dans l'Univers

reste invisible.

La tche peut paratre anodine. Il nen est rien. Car lanalyse du

spectre donne des informations essentielles sur les mouvements des

galaxies. En effet, tout comme le son dune voiture devient plus aigulorsque celle-ci vient vers nous, et plus grave lorsquelle sloigne, le

spectre dun objet lumineux est dcal vers le bleu lorsquil se rapproche


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du tlescope ou vers le rouge lorsquil le fuit. En mesurant ce dcalage,

appel effet Doppler1, on peut en dduire quelle vitesse lobjet sloi-gne ou se rapproche de nous. Cest ce que fait Vera Rubin sur diffren-

tes rgions dune mme galaxie. La jeune femme en dduit sa vitesse de

rotation sur elle-mme. Un paramtre important, car cest cette rota-

tion qui, par leffet de la force centrifuge, empche la galaxie de seffon-

drer sous sa propre gravit.

Galaxie spirale NGC 4414 photographie par Hubble ( Nasa)

Un rsultat intrigue rapidement Vera Rubin : les toiles situes la

priphrie de la galaxie dAndromde semblent tourner trop vite. En

effet, lessentiel de la lumire tant mise trs prs du centre les

bords devenant trs rapidement obscurs il est naturel den dduire

que lessentiel de la masse sy trouve aussi. Donc, plus on sen loigne,

plus la force de gravit, qui acclre les toiles, doit diminuer, de mme

1. Si l0 est la longueur donde de la lumire mise par lobjet en dplacement et vla compo-sante de sa vitesse dans la direction du tlescope, la longueur donde mesure par lastro-nome est l=l0 (1+v/c) en physique non relativiste (ctant la vitesse de la lumire).


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que la vitesse des toiles. Cest le cas, par exemple, pour les plantes du

systme solaire : celles qui sont proches du Soleil, comme Mercure,Vnus, ou la Terre, tournent trs rapidement, tandis que les plantes

plus lointaines, comme Neptune, Uranus, ou Pluton, ont des mouve-

ments beaucoup plus lents.

Or, rien de tel, apparemment, pour Andromde, comme pour les

autres galaxies spirales que Vera Rubin observera par la suite. Les vites-

ses restent pratiquement constantes au fur et mesure quon sloignedu centre. Certes, la sensibilit des tlescopes optiques ne permet pas,

jusquaux annes 1970, dobserver trs loin dans la priphrie des

galaxies. Il nempche ; ces rsultats laissent quelques astronomes

perplexes. Existerait-il, dans les sombres banlieues des quelques

galaxies observes, de vastes quantits de matire susceptibles daccl-

rer les toiles. Le mystre spaissit mesure que les observations saffi-nent. Car aux cts du tlescope gant du Mont Palomar, les

instruments de deux quatre mtres de diamtre se sont multiplis sur

toute la plante, comme Hawa ou aux Canaries. On dispose donc

dsormais de suffisamment de grands tlescopes pour en affecter

certains des tches qui sont encore lpoque juges comme

non prioritaires. Les courbes de rotation galactique se multiplient dansles annes 1980, passant dune petite cinquantaine plusieurs milliers.

Mais les dtecteurs lectroniques ont beau tendre les observations

jusqu lextrme priphrie des galaxies, rien ny fait : les toiles les

plus loignes persistent maintenir une vitesse manifestement exces-

sive pour le peu de gravit quelles subissent de la part des toiles visi-

bles. Ds lors, une majorit dastrophysiciens se rend lvidence : lesgalaxies spirales sont forcment entoures dun gigantesque halo de

matire invisible. Si norme quil reprsenterait jusqu 90 % de la


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masse totale de la galaxie. Aprs des dcennies dindiffrence polie, ledbat sur la masse manquante finit par simposer comme un thme

majeur. Mais Zwicky, dcd en 1974, nest plus l pour savourer cette

tardive revanche.

Des preuves aux rayons X

Car son intuition na cess, par la suite, de se confirmer : non seule-ment il manquerait de la masse lintrieur des galaxies, mais il en

manquerait galement et dans des proportions tout aussi gigantes-

ques entre les galaxies elles-mmes. Une hypothse qui sest trouve

conforte lorsque les progrs de lindustrie spatiale ont ouvert sur

lespace une nouvelle fentre : celle du rayonnement X.

Contrairement aux ondes radio, qui se trouvent en de de linfra-rouge, les rayons X, plus nergtiques, se situent lautre extrmit du

spectre lectromagntique. mesure que la longueur donde diminue,

100

100 200

Distance par rapport au centre (Kpc)

Contribution du gaz

Contribution du disque

Contribution du halo

Vitesse relle mesure

Vo (km.s-1)

Courbe de rotation dune galaxie spirale.


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ou que la frquence augmente (lune tant linverse de lautre 1), la

lumire visible cde la place aux ultraviolets, puis au rayonnement X,pour finir enfin par les rayons gamma, les plus nergtiques. Latmos-

phre, heureusement pour nous, absorbe la quasi totalit de ces rayon-

nements dangereux. Ce qui, en revanche, ne fait pas laffaire des

astronomes, qui ont d attendre de pouvoir lancer des satellites dans

lespace pour commencer les tudier.

Les premiers satellites dobservation du rayonnement X, conusdans les annes 1960, ont donc permis de scruter lUnivers avec un

nouveau regard. Hlas, ces pionniers avaient une sensibilit et une

rsolution angulaire drisoires. Il a fallu attendre les annes 1980 pour

apprcier toute la richesse que le cosmos avait nous offrir dans ce

domaine. Les amas de galaxie, en particulier, se sont rvls mettre de

grandes quantits de rayons X. Do provient ce rayonnement ? Quelphnomne inconnu a-t-il pu le crer ? Ces questions nont vritable-

ment trouv leur rponse que dans les annes 1990 avec le satellite

Rosat, qui a pu enfin donner de ce rayonnement X une cartographie

prcise. Et dcouvrir ainsi, au sein de ces amas, lexistence de vastes

nuages de gaz ionis, de plusieurs millions de degrs.

Des corps chauffs cette temprature, en effet, nmettent pas de lalumire visible mais du rayonnement X. Cest pourquoi on ne les avait

jusque-l jamais observs, y compris avec les tlescopes les plus puis-

sants. Or, on sest rendu compte que ces nuages de gaz, qui remplissent

les amas de galaxies, contenaient probablement prs de dix fois plus de

matire que lensemble des toiles contenues dans lamas. Une dcou-

verte qui, pour le coup, inverse la perspective : les galaxies ne seraient

donc pas des oasis de matire dans un Univers vide et froid ; mais bien

1. Si est la longueur donde etfla frquence, alorsf=c/, o cest la vitesse de la lumire.


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de minuscules poches de matire froide qui baigneraient dans de vastestendues de gaz chaud.

Laffaire nest pas close pour autant. Car si ce gaz est aussi chaud,

cest parce que les particules qui le composent sont soumises un

champ de gravit intense, qui les acclrent jusqu des vitesses de

lordre de 300 km/s. Et cest l, qu nouveau, le bt blesse. Quest-ce

qui cre une telle gravit ? On aurait voulu, bien sr, que la quantittotale de gaz prsente au sein du nuage explique elle seule la gravit

dans laquelle ses propres constituants se dplacent. Ide sduisante

mais qui ne marche pas. Car le nuage a beau tre norme, il ne fait pas

encore le poids : il faudrait au minimum trois fois plus de matire quil

nen contient pour crer une gravit capable de lchauffer une si

haute temprature. Tel un assemblage de poupes russes, ces monstresgazeux seraient donc, leur tour, enfouis dans une quantit encore plus

grande de matire inconnue.

Satellite XMM dobservation des rayons X ( ESA)


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Dernire corde de larc

Une troisime dcouverte finira, en parallle, de convaincre les dernierssceptiques quune grande quantit de matire nous est bien invisible.

Une dcouverte que lon doit Yannick Mellier, Bernard Fort et Gene-

vive Soucail. En 1986, ces trois astrophysiciens franais observent,

dans certains amas, des galaxies curieusement dformes, tordues ;

voire dimmenses arcs lumineux qui balafrent le ciel. Sagit-il dune

dfaillance de linstrument ? Peu probable, car des astronomes amri-cains font la mme dcouverte de leur ct. Lnigme est rapidement

rsolue : la galaxie qui apparat dforme ne fait probablement pas

partie de lamas observ. Elle se trouverait plus loin, en arrire-plan.

Du coup, sa lumire, pour nous parvenir, doit traverser lamas qui

sinterpose entre elle et nous. Un amas de matire qui cre une gravit

suffisamment puissante pour dvier les rayons lumineux et dformerainsi limage de la galaxie.

Les galaxies de lamas A 2218, dont la lumire a t dvie sur sonparcours par de la matire cache, apparaissent tires sous forme darcs


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Cet effet de lentille dformante gravitationnelle est trs bien dcrit par

la Relativit gnrale. Mais Einstein avait imagin dans ses crits la dvia-tion de la lumire dune toile par la masse ponctuelle dune autre toile.

Or leffet, dans ce cas, est si faible quil est inobservable (sauf dans le cas

du soleil). Lide, en revanche, fut reprise en 1937, par Zwicky, dcid-

ment incontournable. Son raisonnement tait le suivant : si je remplace

la masse dune toile par celle dune galaxie, qui est un milliard de fois

plus grande, la dviation des rayons lumineux devient suffisammentimportante pour tre observe. Mais cette dcouverte , l encore, tait

tombe dans loubli. Jusqu ce que Yannick Mellier et son quipe

comprennent que les grandes tranes allonges qui lzardaient leurs

photographies taient bien des galaxies, dont limage avait t dforme

par la masse de lamas que la lumire a rencontr sur son chemin.

Limportant, ici, est dans les dtails : limage de la galaxie est dfor-me mais reste relativement nette. Or, si les rayons lumineux avaient

t successivement dvis par les diffrentes galaxies qui composent

lamas, le trajet de cette lumire aurait t compltement chaotique.

Limage serait devenue floue, voire totalement invisible. Rien de tel ici :

les arcs sont au contraire souvent trs fins et relativement bien

dessins. Une telle image na pu tre cre que par une distribution

rgulire de matire, ct de laquelle la masse des diffrentes galaxies

reste insignifiante. Comme de ridicules monticules dissmins sur une

montagne imposante.


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2

Un destin en clair obscur

Plus ou moins de matire dans lUnivers, aprs tout, quelle impor-

tance ? Les astronomes nont-ils pas dj suffisamment faire avec les

milliards de galaxies, peuples de milliards dtoiles visibles ? Peut-tre.

Mais comment accepter que lessentiel nous chappe ? Dautant que

cette masse cache ne se contente pas de perturber la course des toiles

ou de crer des mirages. Les cosmologistes ont vu en elle la matresse

inflexible du destin de lUnivers. Les cieux sont-ils ternels ou condam-

ns disparatre dans quelques milliards dannes ? La rponse

semblait devoir rsider dans la quantit totale de matire quils conte-

naient. Do lacharnement mis la dbusquer, jusqu ce quun

nouvel acteur, dcouvert il y a peu, rapparaisse de faon inopine dansles quations et vole la matire son pouvoir sur lavenir. Le rcit de ce

rebondissement viendra en temps utile, au chapitre suivant. Car il faut,

pour en saisir la saveur et lironie, revenir dabord quelques dcennies

en arrire. Sarrter un instant lpoque des premires automobiles,

avant mme que Zwicky nait eu lide de mettre son il contre un

tlescope. Simmerger dans labstraction de la physique mathmatique.Et y croiser un certain Einstein.


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Le poids, une illusion ?

Au dbut du XXe sicle, les physiciens sont plutt fiers du travailaccompli. La thorie de la gravitation repose sur des piliers solides.

Newton, avec sa clbre pomme, en a tabli trois sicles plus tt le

grand principe : deux masses sattirent lune lautre, distance, avec

une force dont lintensit est inversement proportionnelle au carr de

la distance qui les spare 1. Aprs lui, des mathmaticiens de talent

comme Laplace, Lagrange ou Hamilton ont affin la formulation etlont enrichie de nouvelles quations. Permettant ainsi Adams et Le

Verrier, au XIXe sicle, de dcouvrir, par le jeu des calculs, lexistence de

la plante Neptune (voir chapitre prcdent). Pour la physique dite

classique ou newtonienne, ce fut la conscration suprme.

Einstein, pourtant, dcide de gcher la fte. Car la thorie newto-

nienne de la gravitation a beau remporter des succs clatants, ellesouffre ses yeux de deux inconvnients majeurs. Dabord, elle dcrit

une action instantane entre deux masses : bougez en une, et la force

quelle exerce sur lautre sera aussitt modifie. Or en 1905, le jeune

Einstein vient de jeter les bases dune thorie la Relativit restreinte

qui fait de la vitesse de la lumire dans le vide une constante abso-

lue : aucun signal, aucune information, ne peut se propager plus vitequelle. La gravitation ne saurait faire exception. Comment rsoudre

cette contradiction ?

Maxwell, lun des plus grands physiciens du XIXe sicle, a montr la

voie. Par analogie avec les ondes lectromagntiques, dont il avait

permis la dcouverte, le savant britannique a remplac la notion de

force instantane, chre Newton, par ce que lon appelle un champ

1. Lintensit de la force scrit F=Gm1m2/d2, o G est une constante, m1 et m2 les massesrespectives des objets 1 et 2, et dla distance qui les spare.


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dans la forme du puits, qui se propagent de proche en proche la

vitesse de la lumire. La notion daction instantane disparat donc, auprofit dune modification progressive du champ. Einstein saura sinspi-

rer de ce nouvel outil.

Une seconde anomalie, nanmoins, le proccupe. En physique classique , il faut, pour acclrer un corps, dployer une force

proportionnelle sa masse dite inertielle, qui reprsente en quelque

Potentiel

A

F

Astrode

Terre

Dans la thorie de Newton, la masse de la Terre cre sur lastrode uneforce instantane qui lattire vers elle. Un principe que lon peut formulerde faon quivalente, en considrant que la Terre cre, en chaque pointde lespace autour delle, un potentiel gravitationnel reprsent par unnombre. Et que lastrode se dplace de faon atteindre le potentiel

le plus bas possible.


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UN DESTIN EN CLAIR OBSCUR

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sorte la rsistance que ce corps oppose naturellement au mouvement 1.

Cela correspond une impression par ailleurs trs intuitive : pourdplacer votre voiture en panne, vous allez devoir pousser davantage

que sil sagissait dun simple vlo.

Or, lorsque ce mme corps croise un autre objet massif, la force de

gravit quil subit est galement proportionnelle sa masse, mais sa

masse dite gravitationnelle : un norme rocher, lorsquil tombe, est

attir avec une force beaucoup plus importante quune petite pierre.En gnral, on ne fait pas la distinction entre masse inertielle et masse

gravitationnelle parce que leurs valeurs, lorsquon prend la peine de les

mesurer, se rvlent rigoureusement gales quelle que soit la prcision

des instruments utiliss. Pourtant, elles expriment des phnomnes

physiques trs diffrents : rsistance toute acclration pour lune,

intensit de linteraction gravitationnelle pour lautre. Sont-elles galespar pure concidence ou cela cache-t-il quelque chose de plus profond ?

Cette identit entre masse inertielle et gravitationnelle a une cons-

quence importante : la trajectoire dun objet, lorsquil est acclr par

une masse, est la mme quel que soit cet objet. Il suffit, pour sen

persuader, de lcher simultanment, dans le vide, une petite bille ou

une immense statue de plomb : elles toucheront toutes deux le sol aumme instant. Lune est plus fortement attire vers le sol que lautre,

mais comme elle rsiste davantage lacclration du mouvement, les

deux effets se compensent. De mme, lchez une pomme dans lespace,

la mme distance de la Terre que la Lune, et la mme vitesse : ce

modeste fruit dcrira autour de notre plante la mme orbite que

lastre de la nuit, pourtant bien plus imposant. Quelle est donc la

1. Cest la fameuse quation F= m.a, pilier de la physique newtonienne, o Fest la force exer-ce, m la masse inertielle et a lacclration.


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nature de cette force, qui se soucie si peu de lobjet sur lequel elle sappli-

que ? Cest alors quEinstein a une intuition fulgurante : et si cette force , quon appelle gravit, ntait en dfinitive quune illusion ? Tout

comme la force centrifuge, qui semble vouloir nous jecter de la voiture

dans les virages : si notre corps scrase contre la portire, ce nest certes

pas par une quelconque attirance mutuelle, mais parce que la voiture

change brutalement de direction et la force ressentie nest, en dfinitive,

quune consquence de lacclration du vhicule. La gravitation, se ditEinstein, pourrait bien tre un phnomne similaire.

Comment une telle ide lui est-elle venue ? Si Newton a eu sa

pomme, Einstein fait plutt dans les ascenseurs. Il nous suggre de

nous imaginer lintrieur dune cabine dascenseur, sans aucun repre

extrieur. Les portes se referment. Brusquement, on se sent lourd.

Comment savoir si ce poids est d la pesanteur, lacclration de lacabine en train de monter, ou une superposition des deux ? Impossi-

ble, a priori, de discerner les deux phnomnes. Pour Einstein, cest

parce quils sont en ralit parfaitement quivalents : la gravitation ne

serait rien dautre quune acclration.

Il ny aurait donc aucune force dattraction entre les objets massifs.

La pomme qui tombe de larbre, la Lune qui tourne autour de la Terre,ne subiraient en fait aucune interaction. Comme tout corps libre, ils se

contenteraient de filer droit devant eux , obissant au fameux prin-

cipe dinertie de Galile, qui veut quune particule sans interaction se

dplace indfiniment en ligne droite et vitesse constante. Lide,

premire vue, parat absurde : comment lorbite de la Lune pourrait-

elle tre assimile une ligne droite ? Et qui croira quune pierre quitombe garde une vitesse constante ? La subtilit est dans le sens des

mots : quest-ce quune ligne droite ? Et que signifie une vitesse constante


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lorsquon raisonne, non pas dans lespace, mais dans un espace-temps

quatre dimensions ?

La gomtrie quitte le droit chemin

Reprenons lascenseur dEinstein. Et imaginons quun rayon lumineux

traverse la cabine de part en part pendant que cette cabine acclre.

Pour une personne qui attend lascenseur lextrieur, ce rayon lumi-

neux dcrit une ligne droite parfaite. Mais pour lindividu qui setrouve dans la cabine, le mme rayon de lumire apparat trs lgre-

ment recourb (car durant le trajet de la lumire entre les deux parois,

lascenseur a acclr). Premire conclusion : le concept de ligne

droite nest pas si vident que a. Accessoirement, puisquon suppose

quacclration et gravitation sont une mme chose, toute masse doit

tre, elle aussi, capable de courber les rayons lumineux.

Laser

Ascenseur

?

Enferm pour la premire fois dans un ascenseur ultra-rapide, un expri-mentateur naf se sent soudain trs lourd. Ce quil ressent comme une

force de gravit est d en fait lacclration de la cabine, remarqueEinstein. Si cette cabine, durant sa monte, traverse le rayon dun laser,notre exprimentateur verra par ailleurs ce rayon trangement courb.

Preuve que la notion de ligne droit est elle aussi trs relative.


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Mais pour Einstein, une masse fait plus que a. Elle courbe lespace-

temps lui-mme. En dautres termes, une petite bille qui croise unenorme masse de plomb, ou la Lune qui tourne autour de la Terre,

voyagent bien en ligne droite, mais lnorme masse a courb lespace-

temps autour delle. Consquence : les lignes droites , en quelque

sorte, ne le sont plus. Elles se sont recourbes. Pour obtenir un effet

similaire, tracez une droite sur un ballon dgonfl et soufflez ensuite

dedans : mesure que votre ballon grossit, votre belle droite initiale secourbe. On dit que la gomtrie sur la surface du ballon nest plus

euclidienne.

Pour mieux comprendre ce qui se passe dans le cas de la gravitation,

mieux vaut raisonner deux dimensions. Imaginons une bille qui se

dplace sur un plan. Supposons maintenant que ce plan nest pas

parfaitement plat mais quil contient des creux et des bosses. La bille,en filant droit devant elle, toujours la mme vitesse, va tomber dans

les trous et parcourir les bosses. Considrons maintenant que ce plan

est parfaitement transparent. Que voit-on ? Une bille qui zigzague

comme si elle tait soumise une force mystrieuse. Lorbite de la

Lune, du coup, perd de son mystre, car une bille qui file droit devant

elle lintrieur dun puits dcrit fatalement une succession de cercles,qui font chacun le tour du puits. Cest un peu ce qui se passe pour le

couple Terre-Lune : notre plante cre, en raison de sa masse, un puits

autour delle, mais dans un espace-temps quatre dimensions.

La thorie dEinstein chamboule donc compltement notre repr-

sentation de lespace et du temps. Depuis des sicles, on les considrait

comme des entits absolues, infinies, indpendantes des objets quon ymettait, et respectant des relations gomtriques simples quon

apprend aujourdhui au collge, comme : la somme des trois angles


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dun triangle fait 180 ou le primtre dune cercle vaut fois le

diamtre . Cest lespace et le temps de la physique classique . Et laplupart dentre nous sen contente, sans en ressentir le moindre trouble

intellectuel.

Avec la Relativit restreinte, Einstein y avait donn un premier coup

de canif : il avait effac la distinction habituelle entre espace et temps,

qui devenaient en quelque sorte indissociables. Einstein avait montr

que deux observateurs en mouvement lun par rapport lautre ne lessparaient pas de la mme faon : le temps de lun correspondait

un mlange du temps et de l espace de lautre. Il ne fallait donc

pas parler de temps et despace, mais despace-temps. Et donc raison-

ner sans cesse avec quatre dimensions. Ce qui, pour nos esprits habi-

tus penser en trois dimensions, tait dj une vritable torture. Ce

ntait pourtant quune premire tape. Car Einstein, lorsquilcomplte la Relativit restreinte pour intgrer la gravitation et cons-

truire sa thorie, plus aboutie, de Relativit gnrale, va beaucoup plus

loin. Il nous invite nous reprsenter un espace-temps dans lequel la

gomtrie ne serait pas forcment euclidienne . Cest--dire o les

lignes droites ne seraient pas forcment droites. O la somme des trois

angles dun triangle ne ferait pas 180. Et o le primtre dun cerclepourrait tre plus grand ou plus petit que fois le diamtre.

Ces gomtries exotiques ont vu le jour bien avant lui, ds le dbut

du XIXe sicle. Dabord avec les travaux de Gauss, Bolyai et Lobatche-

vski, puis avec ceux de Riemann, Levi-Civita et Ricci. Ces mathmati-

ciens comprennent que la gomtrie euclidienne, avec son plan et ses

lignes droites, nest quun cas particulier entre plusieurs gomtriespossibles. Et quelle ne sapplique pas, par exemple, lorsquon travaille

la surface dune sphre, comme le globe terrestre. Si vous tracez une


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ligne dans votre jardin, vous avez limpression de dessiner une droite.

Mais vous savez que si vous la prolongez indfiniment, vous allez finirpar faire le tour du globe et revenir votre point de dpart. Car en

ralit, vous avez trac une portion de cercle. On dit que vous travaillez

dans une gomtrie deux dimensions (la surface du globe) dont la

courbure est positive. Inversement, il existe des gomtries courbures

ngatives qui, dans le cas deux dimensions, peuvent tre reprsentes

par une forme un peu tarabiscote de selle de cheval ou dun col demontagne infinis. trois dimensions, cest la mme chose. Sauf que

notre cerveau est incapable de se le reprsenter.

Diffrentes courbures possibles de lespace

Pour Einstein, tout devient relativement simple : gravitation

et acclration sont strictement quivalentes, condition de considrer

lespace-temps comme une surface quatre dimensions dont la

gomtrie est courbe. Dans une telle gomtrie, le plus court chemin

entre deux points, celui que dcrit une particule ne subissant aucune

interaction, nest pas une ligne droite mais une trajectoire pluscomplexe, appele godsique , qui dpend de la courbure de la

gomtrie. Et qui cre cette courbure ? La matire.


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Enha

ut,

gauche,

lamassed'unetoiledformel'espace-temps,c

equidvielatrajectoiredesobjetsqui

passent

proximit.

Sileurvitesseestfaible,

ilsretrouvent

prisonniersdecettedformation(enbas,

gauche)

etorbitentautourdel'toile.

En

haut,

droite,unetoile

enfindevies'effondresurelle-mmeetmetune

bouffe

d'ondesgravitationnelles,

tellesdesvaguesagitant

l'espace-temps.D

anscertainscas,c

eteffondrement

neconn

atplusdelimite(aucent

re)etformeunpuitsdeg

ravit,

d'ommelalumirenepeutsortirunefois

passcequonnommelhorizondutrounoir.


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Courbure = matire

Comment une masse courbe-t-elle lespace-temps ? La question aobsd Einstein durant plusieurs annes, de 1912 1915, lentranant

dans bien des erreurs et des impasses. La thorie de la gravitation de

Newton reposait sur un principe simple : plus il y a de masse, plus le

potentiel de gravitation se creuse et plus lacclration est intense. Eins-

tein sen inspire. Mais dsormais, cest la courbure de lespace-temps

qui cre le mouvement. Il crit donc lquation la plus simple qui soit :courbure = matire. Reste savoir ensuite ce quon met concrtement

de chaque ct de lquation.

Ct matire, on ne peut pas se limiter la seule rpartition des

diffrentes masses. Einstein ayant montr, avec sa clbre quation

E= mc2, que toute nergie pouvait se transformer en masse et vice-

versa , il faut rajouter la masse toutes les autres formes possiblesdnergie : nergie cintique, rayonnement, pression, etc. Les premiers

travaux dEinstein, regroups dans sa premire thorie de Relativit

restreinte, en fournissent une expression gnrale sous la forme math-

matique dun tenseur nergie-impulsion . Le terme de courbure,

gauche de lquation, se prsente pour sa part sous la forme dun

tenseur objet mathmatique un peu complexe qui dfinit lavariation de la gomtrie en un point.

Au final, on obtient ce quon appelle une quation diffrentielle

locale non linaire . Cest une quation qui nous indique comment la

gomtrie varie entre deux point voisins de lespace-temps, en fonction

de la densit dnergie (ou de matire) cet endroit. Si on connat la

courbure en un point on peut donc, si on connat part ailleurs ladensit dnergie, obtenir de proche en proche la valeur de cette cour-

bure en chaque autre point.


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Lquation dEinstein est locale : elle relie la variation de la gomtrie

en un point prcis la distribution de matire qui est directement auvoisinage de ce point. Il ny a pas daction instantane distance. La

matire modifie dabord la gomtrie dans son entourage immdiat,

puis cette modification perturbe son tour lespace-temps un peu plus

loin, et ainsi de suite. Einstein peut donc tre satisfait.

LUnivers enfle comme un souffl

Son quation a pourtant un dfaut : elle dcrit comment varie la cour-

bure de lespace en un point, mais ne donne aucune indication sur la

gomtrie globale de lUnivers. En 1917, Einstein essaie de sen sortir

en simplifiant un peu le problme. Il considre dabord que la matire

se rpartit quitablement dans lUnivers, quelle ne saccumule pas dans

certaines rgions en dimmenses grumeaux. Bref, que sa densitmoyenne est uniforme. Il suppose galement que les mouvements des

toiles se rpartissent aussi quitablement. Dans ce cas, le problme est

rduit sa plus simple expression puisque la courbure spatiale doit tre

la mme en tout point. Problme : ainsi simplifie, lquation na

aucune solution dcrivant un Univers statique, cest--dire dans lequel

la distance entre deux objets immobiles est fixe une fois pour toutes.

Or, lpoque, il est clair que lUnivers est stable et immuable. On nen

connat alors que la Voie lacte, dans laquelle les toiles nvoluaient

qu des vitesses lentes et apparemment de faon identique dans

toutes les directions. Quant la notion de big-bang, elle voque peut-

tre, dans ces annes dhumeur guerrire, lexplosion dun obus ou

dun bton de dynamite, mais srement pas lorigine du cosmos.


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La cosmologie et son principe

Comment tudier lUnivers comme un tout, en utilisant des thories

physiques tires dexpriences locales, comme la chute dune pomme ?

Pour y parvenir, la cosmologie sappuie sur une hypothse intuitive,

spontanment applique par Einstein, mais explicitement formule que

plus tard : le principe cosmologique. Il consiste gnraliser lextrme

lhypothse hardie de Copernic. En effet, si la Terre noccupe aucun lieu

central dans le systme solaire, pourquoi ne pas considrer que le Soleil

lui-mme na quune position quelconque dans la galaxie ? Qui elle-

mme serait dans un endroit quelconque de lUnivers ? Le principe cos-

mologique gnralise le raisonnement et stipule que lUnivers ne contient

aucun lieu privilgi : deux observateurs, o quils se trouvent, auront

grande chelle, autour deux, des images du cosmos parfaitement inter-

changeables. Ce postulat, dans les annes 1920, avait comme principal

avantage de simplifier les quations qui, sans cela, auraient t insolubles.

Et comme aucune observation ne venait le mettre en dfaut, il fut accept

sans rechigner. Or, ce qui ntait au dpart quune hypothse simplifica-

trice, un pari audacieux, se rvle aujourdhui tonnamment proche de la

ralit. Car toutes les grandes campagnes dobservations le prouvent : les

variations de densit, lorsquon regarde de trs grandes chelles de plu-

sieurs millions dannes-lumire, restent extrmement faibles, infrieures

0,1 %. Comme si lUnivers tait bien, vu de loin, une soupe presque

parfaitement mlange.

Einstein commet alors une bourde. Une erreur quil regrettera toutesa vie. Pour que son quation fournisse malgr tout une solution stati-

que, il rajoute un terme constant dans le membre de gauche : la cons-


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tante cosmologique. Il obtient ds lors une solution qui le satisfait

totalement : un Univers statique, homogne, fini mais sans bord. Unesorte despace sphrique, cest--dire dans lequel on finit, en allant

toujours droit devant soi, par revenir son point de dpart.

Hlas, peine Einstein a-t-il publi son article que lastronome de

Sitter reprend son modle et trouve une autre solution cette mme

quation. Une solution qui dcrit un Univers vide de matire et au

comportement trange. En effet, il est la fois vide et courb, ce quiremet en cause lide que cest la matire qui courberait lespace-temps.

Et surtout, les objets y possdent de surprenantes proprits : Weyl et

Eddington montrent, en 1923, que si lon introduit deux particules

dans cet Univers, elles se fuient aussitt avec une vitesse dautant plus

grande quelles sont distantes lune de lautre. Dans un tel Univers, les

astronomes devraient donc voir les galaxies sloigner les unes desautres avec une vitesse proportionnelle leur distance. Le cosmos ne

leur apparatrait donc pas statique, mais en expansion : la distance

entre deux objets immobiles ne serait pas fixe, mais augmenterait

inluctablement au cours du temps, comme deux points tracs sur un

lastique que lon tirerait.

En fait, le modle statique dEinstein tait aussi instable quuncrayon en quilibre sur sa pointe. Comme le montre Eddington en

1930, le moindre grumeau de matire lamenait, soit se contracter

dfinitivement, soit stendre infiniment. Les cosmologistes doivent

peu peu se rendre lvidence : un monde immuable ne semble gure

saccorder avec les mathmatiques.

Dautant quen 1922, Friedman avait montr que lquation dEins-tein admettait une infinit de solutions. Chacune correspondant un

Univers homogne, semblable lui mme dans toutes les directions,


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mais en expansion ou en contraction. Certaines de ces solutions corres-

pondaient un Univers fini sphrique comme celui dEinstein ou celuide de Sitter. Mais des sphres dont le volume ne cessait de gonfler, ou,

au contraire, qui se ratatinaient sur elles-mmes, comme la surface

dun ballon de baudruche. Dautres solutions enfin, dcrivaient des

Univers non sphriques, infinis, mais toujours en expansion ou en

contraction. Une question taraudait les cosmologistes : ces Univers

sont-ils rels ? Mais Friedman nen avait cure. Ctait un mathmati-cien qui ne se souciait gure des observations astronomiques.

Le sort fut injuste avec lui. Ses solutions neurent pas beaucoup de

succs. Einstein les considra dabord comme des garements (il recon-

natra plus tard son erreur de jugement). Dailleurs, Friedman ntait-il

pas un gophysicien et un mtorologue plus quun astronome ? Sa

mort prmature, en 1925, ne lui laissa pas le temps de convaincre sesdtracteurs.

Quimporte, ses modles dUnivers seront redcouverts, partir de

1925 par labb Lematre. Lecclsiastique et scientifique belge a tudi

les bizarreries du modle de de Sitter. Il sait, galement, que de

nombreuses observations font tat dun curieux dcalage vers le rouge de

la lumire reue des galaxies lointaines : plus les galaxies sont loignes denous, plus la lumire quelles nous envoient tire vers le rouge. Lematre

tablit, deux ans avant lAmricain Hubble, la loi qui relie ce dcalage

la distance. Hlas, larticle est publi en franais et na aucun impact,

jusqu ce quil soit traduit en anglais par Eddington en 1930. Un an

aprs que Hubble eut publi cette mme loi, qui portera donc son nom.

Lematre comprend que ce dcalage vers le rouge est la preuve quelUnivers est bien en expansion : si la lumire tire sur le rouge, cest

cause de leffet Doppler. Ce mme effet, qui fait apparatre plus grave


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le bruit dune voiture qui sloigne, fait apparatre plus rouge la lumire

dune galaxie qui nous fuit. Et si les galaxies lointaines ont toutes lairde nous fuir, quelle que soit leur direction, cest parce que lUnivers lui-

mme est en train de stirer. Les distances ne cessent de se rallonger

entre elles et nous, et plus ces galaxies sont loin, plus ltirement, kilo-

mtre aprs kilomtre, saccumule.

Or, si lUnivers stire, cest quil tait plus petit dans le pass, donc

probablement plus dense et plus chaud. En remontant suffisammentloin dans le pass, on doit pouvoir aboutir un tat primitif, extrme-

ment dense et chaud, que Lematre appelle lAtome primordial. Et qui

prfigure, en quelque sorte, lactuel modle du big-bang.

Homme dglise ou cosmologiste ?

Peut-on, lorsquon fait de la cosmologie, oublier que lon est aussi unhomme dglise ? Georges Lematre sy efforcera tout au long de sa vie

avec la plus extrme rigueur. Le doute, hlas, persistera toujours. Lorsque

labb belge, professeur lUniversit Catholique de Louvain et grand

connaisseur de la Relativit, prsente Einstein, en 1933, sa thorie de

l' atome primordial , Einstein larrte et prend un air gn : ce principe

dune origine de lUnivers, premier pas vers le modle futur du big bang,ressemble dcidment trop limage biblique de la cration. Vos math-

matiques sont superbes, mais votre physique abominable , avait dj

rtorqu le pre de la Relativit, quelques annes auparavant, lorsque le

jeune abb publiait son ide dun univers en expansion. Le malentendu

entre Lematre et les scientifiques athes ou agnostiques slargira encore

lorsque en 1951, le pape Pie XII, voquant les relations tumultueuses

entre science et religion, prendra appui sur les ides du prtre mathmati-

cien pour dcrire cet instant o le cosmos est sorti de la main du


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Crateur . Craignant que de tels propos nattisent la rivalit ancestrale

entre science et religion, Georges Lematre ne cessera au contraire, aprsce discours maladroit de son suprieur, de rappeler que la science ne sau-

rait prouver lexistence de Dieu, ni dailleurs, son absence.

Un Univers fini ou infini ?

Revenons Einstein. Il avait pris comme point de dpart un Univers

dans lequel la matire se rpartissait quitablement. lchelle du

systme solaire, cest videmment faux puisque lessentiel se concentre

dans le Soleil et les quelques plantes. Cest encore faux lchelle

dune galaxie ou dun amas de galaxie. On peut nanmoins considrer

que cest globalement vrai des chelles largement suprieures du

moins jusqu preuve du contraire. Les regroupements de matire en

toiles, galaxies ou amas de galaxies deviennent alors dinsignifiants

regroupements et on estime que,grosso modo, chaque gigantesque cube

de cosmos contient la mme quantit de matire. Cela signifie donc

que la courbure de lespace, lorsquon se place des chelles aussi

immenses, est elle-aussi constante.

Or, Friedman et Lematre ont dmontr quil nexiste que trois

gomtries possibles, pour un espace-temps quatre dimensions dontla courbure spatiale est constante. Si cette courbure est positive, on

obtient une sorte de sphre trois dimensions (ce nest plus la surface

qui se courbe, comme dans le cas dune sphre classique, mais le

volume lui-mme). Le volume de lUnivers est alors fini mais sans

bord, tout comme la surface dune sphre est finie sans pour autant

avoir de limite : une fourmi qui la parcourt peut toujours marcherdroit devant elle sans jamais sarrter. Cette courbure peut tre au

contraire ngative. Ce qui conduit un Univers ouvert (ou encore


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hyperbolique) dont la forme, ramene deux dimensions, voque une

selle de cheval. Son volume est alors infini.Entre les deux, la courbure peut tre nulle. On dit que lUnivers est

plat. Cest la solution prfre des thoriciens car ses proprits sont

alors celles dun espace euclidien habituel. Son volume, l encore, est

en principe infini. Du moins si on lui suppose une gomtrie simple.

Car en toute rigueur, il peut galement tre recourb sur lui-mme,

comme une feuille de papier quon enroule en cylindre, prsenter laforme dun anneau si on relie ensuite les deux extrmits de ce cylin-

dre ; on peut aussi obtenir des formes encore plus complexes. Mais

toutes ces gomtries ont un point commun : elles dcrivent un

Univers qui reste en expansion. Que lUnivers soit plat, sphrique ou

hyperbolique, il se dilate au cours du temps. Consquence : mme

dans le cas o la courbure spatiale est nulle (Univers plat), lespace-temps, lui, est malgr tout courb du fait quil sagit dune gomtrie

en expansion.

Une question, ds lors, se pose : lUnivers se dilatera-t-il indfini-

ment ? Cest l que la quantit totale de matire intervient. Car cest

elle qui ralentit peu peu cette expansion, agissant comme un frein

cosmique. Or, si la densit de matire est trop forte, la dilatation delespace va tre tellement freine quelle finira, dans quelques milliards

dannes, par sannuler. LUnivers, sous leffet de son propre poids, va

alors commencer scrouler lentement sur lui-mme. Comme un

film qui repasserait lenvers, les galaxies vont se rapprocher inexora-

blement les unes des autres. Toute la matire finira par se concentrer,

en mme temps que lespace, dans une tte dpingle o la densit etla temprature slveront linfini : cest le big crunch, qui aboutit la

disparition de notre Univers. Dans ce cas, la Relativit gnrale indique


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galement que, si la constante cosmologique est nulle comme le

supposait tardivement Einstein, lUnivers a eu, a encore, et aura, tout instant, une gomtrie sphrique. Cest une hypersphre dont le

volume est fini. Le cosmos est alors fini la fois dans lespace et dans

le temps.

Si au contraire la densit est faible, lexpansion se poursuivra ternel-

lement, car la matire ne la freine pas suffisamment. Les quations

montrent alors que lUnivers a une gomtrie hyperbolique et doncque lespace est constamment infini (mme si cet infini grandit tout le

temps). On dit que lUnivers est ouvert. Il na pas de fin, ni dans

lespace ni dans le temps.

Le cas dun Univers plat est un cas limite : celui o la densit est

juste la valeur critique. Dans le cas dun Univers sans constante

cosmologique, on utilise gnralement le paramtre pour symboliserle rapport entre sa densit moyenne et cette densit critique (qui

correspond environ trois atomes dhydrogne par mtre cube). Si

est plus grand que 1, la densit de lUnivers est suprieure la densit

critique. LUnivers a un volume fini et finira par se recontracter sur lui-

mme. En revanche, si est infrieur ou gal 1, lespace est infini

depuis sa naissance (le big bang, contrairement une vision rpandue,ne se serait donc pas droul en un point mais dans un volume qui

tait dj, lorigine, infini). Il continuera de grossir, une vitesse

certes de plus en plus lente ; mais cette expansion ne cessera jamais.

LUnivers est plat comme une hypergalette

Expansion infinie ou big crunch ? La question a longtemps taraudlensemble des cosmologistes, chacun des deux destins ayant ses parti-

sans. La plupart suspectaient lUnivers dtre, en dfinitive, plat. Cest-


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-dire comportant une quantit de matire qui correspondait trs exac-

tement la densit critique. Et ce, malgr les apparences, puisque latotalit de la matire visible dans lUnivers nen reprsentait quune

infime partie (gure plus d1 %).

Lintuition sest rvle payante. Car la nouvelle est tombe au prin-

temps 2000, semant leffervescence dans lensemble de la communaut

astronomique : lUnivers ne serait ni sphrique, ni hyperbolique, mais

bel et bien plat. Comme une hypergalette , en quelque sorte, carcette platitude doit, bien entendu, tre comprise trois dimen-

sions. Nimaginez donc pas lUnivers comme un gigantesque disque.

Mais plutt comme un volume infini dans lequel les lignes droites

sont bien droites et qui respecte les autres proprits gomtriques

lmentaires apprises au collge. Un triangle trac entre trois points

trs loigns de lUnivers aura des angles dont la somme vaudra bien180. Un cercle cosmique imaginaire aura bien un primtre gal

fois le diamtre, etc. Accessoirement, cet Univers existera donc durant

un temps infini.

Ce rsultat, capital pour les cosmologistes, tait inespr. Et pour

cause : cest dun petit ballon-sonde, lch une dizaine de jours fin

1998 au-dessus de lAntarctique, quest venu le verdict. Son nom,

pourtant, promettait dj de limprvu : Boomerang (Ballon observation

of millimetric extragalactic radiation and geophysics). Comment un petit

ballon a-t-il pu raliser cet exploit ? En explorant le rayonnement le

matiere sombre et energie noire

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