Astrophysique David Elbaz, astrophysicien : « On a découvert une face cachée de l’Univers dont on ne se doutait pas »
Claude Soula et Morgane Bertrand
Entretien L’astrophysicien français, directeur de recherche au Commissariat à l’Energie atomique (CEA Saclay), spécialisé dans l’étude de la formation des galaxies, lève le voile sur les nouveaux mystères du cosmos.
Edition de la semaine « On a découvert la face cachée de l’univers »
Hémisphère droit, hémisphère gauche, matière grise, matière blanche… Vu de loin, le cerveau paraît simple, mais plus la recherche progresse et plus on prend la mesure de sa complexité. Eh bien, avec l’Univers, c’est un peu pareil. Depuis les années 1950, tout le monde s’accordait sur l’histoire du big bang (voir notre lexique en fin d’article), survenu il y a 13,8 milliards d’années. Or les télescopes spatiaux, de plus en plus puissants, bousculent nos connaissances.
« Comme dans les légendes des “Mille et Une Nuits”, chaque découverte ouvre à une nouvelle interrogation, à un fameux : “Mais ça… C’est une autre histoire…” », écrit l’astrophysicien David Elbaz, qui s’est attelé à en faire le récit dans « les Dix Mille et Une Nuits de l’Univers » (éditions Odile Jacob). Il nous éclaire ici sur quelques-unes de ces intrigues qui se jouent au-dessus de nos têtes
On pensait avoir à peu près compris l’origine et l’évolution de l’Univers et on s’aperçoit qu’il est en réalité bien plus mystérieux. Qu’a-t-on découvert ces dernières années qui bouscule ce qu’on croyait savoir ?
David Elbaz Quand on regarde le ciel, on voit des étoiles qui sont toujours les mêmes. Les anciens pensaient que c’était le lieu de l’éternité. Ils se disaient donc qu’il fallait comprendre le ciel pour trouver le secret de l’éternité. Mais on s’aperçoit désormais qu’en fait, non, rien n’est éternel, pas même le ciel. L’Univers est devenu plus mystérieux parce que notre niveau de connaissances s’est considérablement amélioré. Ce sont ces nouveaux savoirs qui soulèvent des questions qu’on ne se posait pas auparavant. Il y a un quart de siècle, on ne savait même pas s’il y avait d’autres planètes qui tournaient autour d’autres étoiles que le Soleil. Aujourd’hui, on sait que, dans notre seule Galaxie, il y a des centaines de milliards de planètes. Il y a donc dans l’Univers des dizaines de milliers de milliards de Terres, des planètes rocheuses pouvant accueillir de l’eau liquide, et de ce fait potentiellement habitables. C’est déjà une révolution de le savoir, mais nos découvertes récentes vont bien plus loin. Nous sommes capables d’explorer ces planètes à distance avec un luxe de détails incroyables : nous pouvons même caractériser leur météo.
On a aussi fait de grands pas sur les trous noirs, ces mystérieux objets célestes qui échappent à notre œil…
Le trou noir est un objet théoriquement invisible, car sa force de gravité est telle qu’aucune lumière ne peut s’en échapper. On a pourtant fait la photo de l’ombre d’un trou noir ! On a même détecté des collisions de trous noirs grâce aux déformations de l’espace qu’elles engendrent. Ces ondes avaient été imaginées par Einstein, mais on ne les avait jamais vues. Einstein a dit que l’espace, qui est essentiellement vide dans l’Univers, avait une substance et qu’elle était malléable. Maintenant on mesure comment cette substance se change dans le temps. Mais le plus incroyable, ce qui trouble le plus les scientifiques aujourd’hui, c’est qu’on a découvert une face cachée de l’Univers, un peu comme la face cachée de la Lune. On se doutait bien qu’il y avait des planètes, ou des trous noirs, avant même de les voir. Mais de cette face cachée, on ne se doutait pas. C’est très analogue, pour l’Univers, à ce que Freud appelle la « blessure narcissique » : nos décisions se prennent dans notre subconscient, sans qu’on le sache.
De même, dans l’Univers, tout se passe dans une dimension invisible et inconnue. La matière telle qu’on la connaît, la partie consciente de l’Univers, visible, lumineuse, n’est pas aux commandes. Ce qui pilote les mouvements des galaxies, ce sont des éléments invisibles qui pourraient composer 95 % de l’Univers… On les appelle la matière noire et l’énergie noire car ils n’émettent aucune lumière. Leur existence même n’est pas certaine ! Mais, sans eux, on peut encore moins expliquer les forces qui existent dans l’Univers. C’est pour cela que nous construisons de nouveaux télescopes, de plus en plus puissants : nous essayons de trouver la réponse.
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Avez-vous un exemple de théorie en passe d’être invalidée par les dernières découvertes ?
La principale théorie utilisée par les astrophysiciens, c’est celle de la relativité générale d’Albert Einstein, qui nous explique pourquoi la Terre est attirée par le Soleil et le Soleil par les autres étoiles de notre Galaxie. Le problème, c’est que cette loi ne fonctionne pas à l’échelle de l’Univers. Alors soit elle doit être révisée, soit on décide de prendre en compte les composantes invisibles que sont matière noire et énergie noire et, alors, elle marche. Mais cela signifie aussi que ces éléments méconnus représenteraient 95 % de l’Univers… Ce qui commence à devenir un petit peu délicat sur le plan intellectuel. Le mois dernier, une équipe américaine semblait dire que justement l’énergie noire aurait une nature qui ne collerait pas avec la théorie d’Einstein.
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Ces nouveaux mystères deviennent-ils accessibles grâce aux progrès technologiques ?
Un des progrès technologiques les plus récents, c’est le télescope spatial « James Webb ». C’est aussi une machine à remonter le temps, parce que, plus nous regardons loin dans l’espace, plus nous allons vers le passé. Nous voyons une lumière qui a voyagé très longtemps. Un peu comme si nous recevions une lettre, qui a mis si longtemps à nous parvenir que son expéditeur est mort entre-temps. Ce qu’on voit dans l’espace, c’est le passé, comme si c’était le présent. Grâce à « James Webb », nous révisons toutes nos théories sur la naissance des étoiles, des galaxies et des trous noirs. Nous avons plongé plus loin dans l’océan de l’Univers, dans le cosmos et on y a découvert des sources de lumière inconnue, des astres qu’on n’imaginait même pas. Par exemple, sur une de ses images, nous avons vu des petits points rouges, dont on ne comprenait pas la nature. On s’est d’abord trompé sur leur interprétation : on a cru que le big bang n’avait jamais eu lieu. Et puis on a fini par comprendre : ces points rouges étaient des manifestations des trous noirs. Ils indiquent que les trous noirs – qu’on pensait exceptionnels, liés à la fin des étoiles massives – sont surabondants dans l’Univers. Et cela nous a conduits à une autre découverte. Nous pensions jusqu’ici qu’après le big bang initial étaient d’abord apparues les étoiles et les galaxies. En fait, les trous noirs sont sans doute apparus avant les étoiles. C’est peut-être avec un trou noir qu’a commencé notre histoire.
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Première image « deep field » (champ profond) du télescope « James Webb », publiée le 11 juillet 2022, sur laquelle on voit un amas de galaxies tel qu’il était il y a 4,6 milliards d’années. NASA
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Le télescope « James Webb » est-il la seule façon de « percer le passé », comme vous dites ?
Non, les Européens ont lancé il y a un an le satellite « Euclid », qui porte le nom de l’inventeur de la géométrie, Euclide d’Alexandrie. L’objectif de « James Webb » est de remonter assez loin dans le temps pour découvrir la formation de l’Univers visible, la naissance de la première étoile. Celui d’« Euclid », c’est de découvrir la face cachée de l’Univers. Vous allez me dire : « Mais si c’est caché, comment ferez-vous pour le voir ? » En procédant par induction. Imaginez un homme invisible. Vous ne le voyez pas. Mais s’il marche sur une plage de sable fin, vous allez voir la trace de ses pieds. Eh bien, pour nous, les petits grains de sable, ce sont les galaxies et on regarde la trace que laisse la matière noire dans la position des galaxies. On voit la marque des pieds. Vraiment ! On voit des déformations et mieux que ça, quand on les regarde bien précisément, on peut même voir s’il marche ou s’il court. Mais pour y arriver, il vous faut des millions de grains de sable, donc des millions de galaxies. Alors, il faut regarder quasiment tout le ciel avec une précision ultrafine. C’est un défi technologique incroyable, que les scientifiques, à nouveau, sont en train de relever. On attend avec impatience de voir les résultats d’« Euclid ».
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Un des sujets qui nous fascinent tous, c’est la possibilité de l’existence d’autres formes de vie dans l’Univers…
Personnellement j’en suis convaincu, même si cela reste à démontrer. Pratiquement toutes les étoiles ont des planètes et beaucoup sont habitables, c’est-à-dire propices au développement de la vie. Toute la question est de savoir si on peut en déduire que la vie existe nécessairement ailleurs. La plupart de mes collègues en sont convaincus. Je pense d’ailleurs, comme beaucoup d’astrophysiciens, que les premières briques qui ont permis à la vie d’émerger sur Terre peuvent aussi venir d’ailleurs. Notre planète a été bombardée par des météorites, après sa naissance il y a 4,5 milliards d’années. Et le moment où ce chaos s’est arrêté correspond à peu près au moment où remontent les premières traces de vie sur Terre, il y a 3,8 milliards d’années. Cela suggère que la vie a quasiment émergé de façon instantanée, après l’arrivée de ces météorites. Or on pense que la recette de la vie commence dans l’espace, parce que des molécules très complexes y existaient déjà. On en voit la signature par la vibration de la lumière qu’elles émettent.
Comment aller plus loin et détecter ces formes d’existences ? Certes, nous nous appuyons sur une hypothèse qui est critiquable : nous cherchons une forme de vie qui nous ressemble parce qu’on ne sait pas ce que serait une forme différente. C’est une vie qui dépend de l’eau liquide, parce que la molécule d’eau a des propriétés qui permettent de faire émerger la complexité. Alors on cherche des « bio signatures », c’est-à-dire des traces de molécules dans l’atmosphère d’autres planètes. La vie a pour premier impact de créer des déséquilibres chimiques. En fait, elle crée un chaos, elle dérange, même les molécules. Donc on va chercher s’il y a quelqu’un qui, sur les autres planètes, dérange. La Nasa a très bien compris que le Graal pour les années futures, c’est cette quête. Sa plus grande mission à venir est le développement de l’Observatoire des Mondes habitables (HWO), et elle sera lancée dans les années 2040. Son objectif est de voir s’il y a quelque chose qui dérange dans des planètes. En attendant, l’Europe n’est pas en reste, nous finalisons la construction du plus grand télescope terrestre du monde dans le désert d’Atacama, au Chili : il fera 39 mètres de diamètre. Il entrera en fonction dans les années 2030 et sera doté d’instruments pour identifier des signatures de vie.
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Mais nous, petits humains, à quoi ça nous sert de savoir tout ça ?
On dit souvent que, pour savoir où on va, il faut savoir d’où on vient. L’étude de l’Univers, c’est l’étude de nos origines. L’Univers est comme une loupe qui nous permet de voir ce qui est à côté de nous mais qui est trop subtil pour être vu. Par exemple, lorsque Einstein imagine que l’espace et le temps sont malléables, on pourrait se dire que ça ne concerne que des experts, parce qu’on ne va pas modifier le temps avec nos mains. Et pourtant, si notre GPS ne prenait pas en compte le fait que le temps accélère dès qu’on s’écarte de quelques kilomètres de la surface de la Terre, alors notre positionnement serait faux d’une vingtaine de kilomètres au bout d’une journée.
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Falaises cosmiques, cette région est le bord d’une gigantesque cavité gazeuse, dans la nébuleuse de la Carène à environ 7 600 années‑lumière. Cette image capturée par le télescope « James Webb » dans l’infrarouge montre une zone de formations d’étoiles qu’on ne voyait pas auparavant. NASA
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D’autre part, pour moi, regarder l’Univers, c’est comme tourner les pages d’un livre de photos de famille, quand on s’aperçoit à quel point nos ancêtres nous ressemblent. C’est la même chose avec l’espace. Par exemple, la plupart des étoiles vivent en couple, et parfois, ces couples tournent mal. Quand les étoiles sont trop fusionnelles, il y en a une qui finit par manger l’autre, et ensuite elle finit par exploser, car quand une étoile est trop grosse, elle vit moins longtemps. Il y a aussi des galaxies qui deviennent stériles : elles ne forment plus d’étoiles, deviennent moribondes, parce qu’elles ont arrêté de « danser ». Tant qu’elle continue de bouger, et de danser comme je dis, elle est vivante, elle donne naissance à de nouvelles étoiles, comme un système vivant. De la même manière qu’on peut s’émerveiller pour le spectacle de la nature, quand on voit l’adéquation des plantes avec les oiseaux, eh bien l’Univers est une extension de la nature, qui nous parle de nous et de notre place dans cette histoire-là. Il est fondamental de retrouver notre place dans l’histoire de l’Univers, de savoir qu’on n’est pas un simple « bug » dans l’évolution.
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David Elbaz, astrophysicien au Commissariat à l’Energie atomique (CEA), spécialisé dans l’étude de l’origine des étoiles, des galaxies et des trous noirs.
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A titre personnel, quel est le mystère qui vous empêche de dormir ?
Plusieurs mystères m’empêchent de dormir. Celui que je trouve le plus fascinant, c’est l’existence de la vie ailleurs dans l’Univers. Certains me disent : « Mais bon, qu’est-ce que ça change ? » Ça change tout ! Surtout si on peut entrer en contact avec d’autres êtres vivants. C’est mon rêve d’enfant. Après, il y a un autre mystère qui m’empêche de dormir, plus étrange. Quand je regarde l’Univers, je ne peux pas m’empêcher de penser que c’est une scène de théâtre. Ce qu’on y voit est une forme d’illusion, parce que, dès qu’on observe de plus près, on se rend compte que la réalité nous échappe. Par exemple, la matière semble solide. Mais si l’on pénètre à l’intérieur, il ne reste plus rien, que des petites particules évanescentes. Alors qu’est-ce qu’il y a derrière le rideau, dans les coulisses ?
Dans cet ordre d’idées, autre chose me bouleverse : l’existence de toute chose en physique se mesure avec son énergie. On peut donc se demander quelle est l’énergie de l’Univers. Et pour certains scientifiques, quand on fait ce calcul, l’énergie de l’Univers est égale à zéro, parce qu’il existe de l’énergie qui a une valeur mathématique négative, comme la gravité, par exemple. Cela peut vous sembler fou, mais admettez-le. C’est l’Américain Alan Guth, inventeur de la théorie de l’inflation cosmique, qui a décrit le phénomène. Quand il a imaginé cette théorie, il n’a même pas osé en parler à ses collègues… En effet, que veut dire son calcul ? Si l’Univers a une énergie totale nulle, alors il peut être créé à partir de rien, du vide. Cette idée me trouble profondément et, quand j’y pense, dormir devient difficile. J’ai alors l’impression que la science n’a pas le dernier mot, qu’elle nous parle seulement d’une face de la réalité et que la réalité est beaucoup, beaucoup plus vaste. Et qu’il est fondamental de l’explorer aussi avec des dimensions artistiques. La musique ou la peinture sont aussi valables que la science pour envisager ces réalités.
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Quelques précisions lexicales
Big bang
Le big bang est le concept le plus communément admis pour expliquer le développement de notre Univers. Plutôt qu’une « grosse explosion », il fut, il y a 13,8 milliards d’années, une zone extrêmement dense et chaude qui a connu rapidement une immense expansion, créant galaxies, soleils et planètes au fil du temps.
Galaxie
Les galaxies sont des ensembles d’étoiles analogues au Soleil, de planètes, de gaz et de poussières, dont le cœur est généralement un trou noir géant. Notre Système solaire fait partie de la Voie lactée, galaxie qui comprend des centaines de milliards d’autres étoiles. L’existence des galaxies a été mise en évidence au début du siècle dernier, notamment par l’astronome Edwin Hubble.
Trou noir
On ne peut pas voir les trous noirs, mais on connaît leurs caractéristiques : un poids gigantesque, sur une taille très réduite qui leur donne une telle force d’attraction que rien ne peut en échapper, même pas la lumière. Leur rôle est essentiel : on pense que les trous noirs supermassifs peuvent contrôler la taille de leur galaxie par des phénomènes complexes impliquant l’énorme énergie dégagée dans leur formation. Selon la théorie traditionnelle, un trou noir se forme lorsqu’une étoile massive meurt et s’effondre sur elle-même. D’autres hypothèses ont émergé : ils seraient nés directement à partir de la matière noire, ou encore des premières particules du big bang, et ils engendreraient ensuite la matière noire.
La matière noire
C’est la « face cachée » de l’Univers. Le plus grand mystère de l’astrophysique moderne depuis sa découverte au début des années 1930. La matière noire est une « chose » inconnue, invisible, dont on postule l’existence parce que, sans elle, on ne comprendrait pas le fonctionnement de l’Univers. On l’appelle « matière » parce qu’elle répond à la loi de la gravitation universelle ; et « noire » parce qu’elle n’a pas le pouvoir de rayonner de la lumière. On ne peut pas la voir mais sa gravité la trahit : on observe un supplément de gravité dans les galaxies qui ne s’explique pas avec la matière lumineuse, d’où l’idée d’invoquer une forme de matière invisible.
L’énergie noire
Les scientifiques ont découvert récemment l’existence d’une énergie noire. Il y a 6,5 milliards d’années, l’Univers se serait mis à s’étendre de plus en plus vite, comme s’il explosait, comme un deuxième big bang. Le moteur de cette expansion accélérée serait l’énergie noire. On ignore encore ce qu’elle est, mais elle est le fruit de théories et d’observations des scientifiques.
La relativité générale
Cette théorie est fondée sur des concepts radicalement différents de ceux de la gravitation newtonienne – la fameuse pomme tombant vers la Terre, qui a permis de comprendre l’attraction des corps. Elle énonce notamment que la gravitation n’est pas une force, mais la manifestation de la courbure de l’espace, courbure elle-même produite par la distribution de l’énergie (une galaxie, un groupe de galaxies, un trou noir, etc.).
L’inflation cosmique
L’Univers est-il voué à une expansion infinie ou à un retour vers sa source initiale, le big bang, telle une balle attachée à un fil en caoutchouc ? Est-il simple, ou multiple ? Une des plus passionnantes théories des cinquante dernières années est celle de l’inflation cosmique. Elle explique pourquoi l’Univers observable est homogène et possède partout les mêmes caractéristiques. Ses implications sont vertigineuses : si l’inflation de l’univers est infinie, alors cela veut dire qu’il doit aussi exister une infinité d’univers, vivant les uns à côté des autres, telles des bulles flottant dans les airs.