Image composite de l’observatoire spatial Herschel et du télescope spatial Spitzer du portrait infrarouge de nuages de poussière ondulant de la galaxie naine le Grand Nuage de Magellan, proche de la Voie lactée. (ESA. NASA)

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«Impermanence» et «interdépendance». Ces deux principes de la religion bouddhiste, le professeur d’astronomie à l’université de Virginie, aux Etats-Unis, les retrouve dans les lois de l’univers où tout change et où tout est connecté. Trinh Xuan Thuan a fait de la diffusion de son savoir un principe de vie : à 76 ans, il a signé plus d’une vingtaine de livres sur l’espace destinés aux non scientifiques et continue ses recherches entre Charlottesville et l’Observatoire de Paris.

Pour partager son obsession de toujours :  il pointe la naissance des premières galaxies. Une recherche qui le conduit à admirer la «grande cohérence» de l’univers ainsi que ses mystères puisque 95% de sa composition, les fameuses «énergie noire» et «matière noire», nous est inconnue. «On croit savoir beaucoup de choses, mais l’univers nous remet constamment à notre place», s’amuse à répéter Trinh Xuan Thuan.

Pourquoi avez-vous consacré une grande partie de vos recherches à étudier la naissance des premières galaxies ?

Parce qu’elles détiennent le mystère des origines. Ce sont elles qui mettent fin aux dark ages (les «âges sombres»), en produisant les premières sources de lumière dans l’univers. On pense qu’elles se sont formées quelques centaines de millions d’années après le big-bang, l’explosion primordiale qui s’est produite il y a 13,8 milliards d’années. C’est une énigme qui me préoccupe depuis mes premiers pas à l’université de Virginie (Charlottesville, Etats-Unis) il y a plus de quarante ans !

Et comme il est très difficile avec des télescopes terrestres de regarder si loin dans le passé, j’étudie des galaxies similaires aux galaxies primordiales, mais beaucoup plus proches, avec l’intuition qu’elles sont comparables. On les appelle des «galaxies naines bleues compactes». Pour les localiser, je cherche des galaxies très déficientes en métaux. C’est l’une des propriétés principales des galaxies primordiales : elles sont jeunes, n’ont pas eu le temps dans leur passé de fabriquer beaucoup d’étoiles massives, et sont donc déficientes en métaux, des éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène et l’hélium.

Ces galaxies sont compactes, et leur grande densité fait que le gaz s’effondre sous l’effet de la gravité pour se transformer en étoiles massives. Ces galaxies servent de sosies pour comparer avec les galaxies primordiales que le télescope James Webb a commencé à observer depuis 2022. J’attends avec beaucoup d’impatience les nouvelles observations du télescope, dans un an ou deux, car je pense que mes intuitions sont correctes.

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C’est ainsi que vous avez découvert I Zwicky 18, la plus «jeune» galaxie à ce jour, à peine un petit milliard d’années…

En comparaison des bientôt 14 milliards d’années de notre univers, c’est en effet un très jeune âge. J’ai pu dater l’âge de I Zwicky 18 grâce au télescope Hubble en 2004 avec mon collègue ukrainien Iouri Izotov. C’est une galaxie naine très peu massive, 100 000 fois moins que la masse de la Voie lactée, et très peu riche en métallicité, comme devaient l’être les toutes premières galaxies.

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Comment celles-ci sont-elles apparues ?

Il faut remonter à ce que nous savons de la création de l’univers. Le big-bang a entraîné l’apparition du temps et de l’espace. L’univers est parti d’un vide rempli d’énergie, qui dans les premières fractions de seconde après le big-bang va lancer l’univers dans une vertigineuse expansion, qu’on appelle «l’inflation». De 10 puissance -34 à 10 puissance -32 seconde, l’univers passe d’une taille des milliers de milliards de milliards de fois plus petite qu’un atome à la taille d’un ballon de football. La libération de l’énergie du vide pendant l’inflation va donner naissance au contenu matériel de l’univers.

Les quarks, les électrons, les neutrinos et leurs antiparticules vont surgir du vide. A un dixième de milliardième de seconde, les quarks s’assemblent trois par trois pour former des protons et des neutrons. A un millième de seconde, ceux-ci s’assemblent à leur tour pour former des noyaux d’atomes. Les noyaux d’hydrogène (un proton), et d’hélium (deux protons et deux neutrons ensemble) pullulent. Mais pendant les 380 000 années qui suivent, la lumière ne peut pas se propager, et il est impossible d’observer cette période avec un télescope.

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Pourquoi ?

De la troisième minute jusqu’à l’an 380 000 environ, l’univers est une soupe très dense de neutrons, de protons, de neutrinos et d’électrons. Cette soupe est tellement dense qu’elle empêche la propagation des photons, les particules de lumière. L’univers est donc opaque. Même avec les télescopes les plus performants, on ne pourra jamais observer ce qui se passe durant cette période.

A 380 000 ans, la température de l’univers baisse à 3 000 degrés, à peu près la température de notre Soleil, et les électrons se combinent avec les noyaux pour former des atomes d’hydrogène et d’hélium. La lumière peut alors se propager, et l’univers devient transparent. Cette lumière qui nous parvient toujours aujourd’hui de l’instant de la création est connue sous le nom de «rayonnement fossile».

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Comment des étoiles peuvent-elles naître de cette «soupe» ?

C’est l’un des problèmes majeurs de la recherche contemporaine. La date de naissance des premières étoiles et galaxies n’est pas bien connue. C’est au télescope spatial James Webb de la préciser.

Pourquoi étudier les premières galaxies revient-il à se poser des questions sur la matière noire et l’énergie noire, ces éléments qui restent totalement mystérieux ?

Parce que pour étudier la formation des galaxies, il faut connaître le contenu en masse et en énergie de l’univers. Or, 95% de la composition de l’univers nous échappe encore ! Nous ne connaissons que 5% de sa composition : 0,5% de matière lumineuse, comme les étoiles, et 4,5% de matière noire «normale», c’est-à-dire faite de protons et de neutrons.

Je dis normale, car il y a aussi 27% de matière noire «exotique», composée d’autre chose qu’on ne connaît pas. On a déduit sa présence, car sa gravité empêche les galaxies de se désintégrer. Sans elle, comme les étoiles se déplacent très vite au sein des galaxies, et les galaxies très vite dans les amas de galaxies, elles se seraient disloquées depuis belle lurette.

Et enfin, il y a la plus grande énigme, l’énergie noire, qui représente 68% de l’univers. On n’a aucune idée de ce que ça peut être ! On ne connaît pas sa nature, on sait simplement qu’elle est anti-gravité : elle repousse, au lieu d’attirer. On croit savoir beaucoup de choses, mais l’univers nous remet constamment à notre place.

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Peut-on dire que c’est du «vide», tout simplement ?

Le vide entre les galaxies est composé à 68% d’énergie noire. Mais on ne sait pas comment le générer ni quelle est sa nature. Ce qu’on sait, c’est que ce n’est pas rien : s’il n’y avait que de la matière, l’expansion de l’univers devrait décélérer ; or, elle s’accélère. C’est donc bien qu’il y a une énergie noire, capable de repousser au lieu d’attirer.

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Vous abordez dans vos livres la question lancinante du réglage initial de l’univers. S’il avait été à peine différent, nous ne serions pas là pour en parler…

L’univers a été réglé avec une extrême précision pour accueillir la vie et la conscience. Pour donner un exemple spectaculaire, sa densité initiale a été réglée avec une précision de 10 puissance -60. Changez un chiffre à la soixantième décimale et le destin de l’univers bascule. C’est d’une précision à couper le souffle. Il y avait une infime chance que l’univers se développe comme il l’a fait. Toutes les autres options n’auraient pas permis de développer la vie. Je pense que si nous sommes là, c’est pour pouvoir comprendre cette cohérence, et aussi que nous ne sommes pas seuls.

Nous sommes tous frères et sœurs, avec les coquelicots et les bêtes sauvages, puisque nous sommes les enfants des étoiles. Cette grande cohérence de l’univers fait écho aux principes du bouddhisme que sont l’«impermanence» et l’«interdépendance». C’est la même histoire.

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Pourquoi pensez-vous que nous ne sommes pas seuls dans l’univers ?

Parce qu’on sait que des planètes tournent autour de la plupart des étoiles, comme dans notre système solaire. Mais on ne le sait que depuis 1995, avec la première exoplanète [une planète située en dehors de notre système solaire, ndlr] découverte à l’observatoire de Haute-Provence par deux astronomes suisses. Maintenant, c’est un torrent, on a confirmé l’existence de quelque 5 500 exoplanètes dans la Voie lactée grâce au satellite Kepler.

Mais la plupart des planètes qu’on peut détecter sont des «Jupiter chauds», c’est-à-dire d’immenses planètes gazeuses qui tournent très près de leur étoile, et en font le tour en quelques jours seulement, au lieu des douze ans terrestres que Jupiter met pour accomplir son périple autour du Soleil. Elles sont extrêmement chaudes. L’atmosphère de l’exoplanète découverte par les Suisses est ainsi chauffée à quelque 1 200 °C, une température plus élevée que celle de toutes les planètes du Système solaire.

La découverte des exoplanètes nous renvoie fondamentalement à la question la plus basique : «Sommes-nous les seuls dans l’univers ?» La statistique nous conduit à dire que ce n’est pas possible. Avec autant de planètes que d’étoiles, il devrait exister des centaines de milliards de planètes, juste dans notre Voie lactée ! Les lois de la physique et de la chimie étant universelles, la probabilité pour qu’il existe quelque part d’autres êtres est non nulle.

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Le programme Seti continue d’essayer de capter des ondes radio extraterrestres, une tâche qu’il accomplit depuis 1960 sans se décourager…

Il faut continuer d’écouter. C’est la seule chance que nous avons de détecter une autre civilisation, qui aurait envoyé une bouteille à la mer il y aurait des milliers, des millions, voire des milliards d’années. Si un signal venait d’une planète qui tourne autour de Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de nous, il mettrait 4,3 années à nous parvenir. Si le signal venait de l’autre bout de la Voie lactée, il mettrait environ 75 000 ans. Les civilisations qui les ont émises seraient donc potentiellement déjà éteintes.

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Pourquoi certains humains éprouvent-ils du soulagement quand ils considèrent l’immensité de l’univers alors que d’autres éprouvent de l’angoisse ?

Je comprends que l’immensité de l’espace puisse être angoissante. Quand on regarde la galaxie la plus proche de nous, Andromède, située à 2,3 millions d’années-lumière, on la voit telle qu’elle était quand Homo habilis, les premiers hommes, marchaient sur la Terre il y a plus de 2 millions d’années.

Pour ma part, je ressens un merveilleux lien cosmique entre moi et l’univers, puisque nous sommes les descendants des étoiles. Sans leur alchimie nucléaire, nous ne serions pas ici pour en parler. Quand je contemple des galaxies à travers un télescope, je pense à ces étoiles massives, qui fabriquent les éléments lourds, ont explosé en supernova, puis ensemencé l’espace interstellaire.

Des grains de poussière se sont ensuite agglomérés pour former des planètes et faire surgir la vie. Que je fasse partie de cette magnifique épopée cosmique est un grand réconfort pour moi. Je rejette l’hypothèse des multivers et du hasard. Il y a ce réglage parfait, qui fait que je me sens at home in the universe («à la maison dans l’univers»).

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