Espace 2
Les météorites
Fragment de météorite exposé au Musée d’histoire naturelle de Paris. Crédit : Jacques Demarthon/AFP.
Tous les ans au mois d’août, la pluie d’étoiles filantes des Perséides émerveille petits et grands. Leurs grandes sœurs les météorites, font aussi le show dans le ciel, mais surtout, elles atteignent la surface de la Terre.
Météorite
Qu’est-ce qu’une météorite ? lorsqu’un objet céleste rentre en contact avec l’atmosphère terrestre, on le qualifie de météoroïde.
Étoiles
Les étoiles filantes sont issues de météoroïdes de l’ordre du millimètre, des poussières, tandis que les météorites sont originaires de météoroïdes plus gros.
Poussière
Quand une poussière pénètre l’atmosphère à grande vitesse, elle s’échauffe et devient étoile filante, créant ainsi la traînée lumineuse tant appréciée des Terriens.
Désagrège
La poussière se désagrège complètement, en quelques secondes à peine, bien que tout météoroïde perde de la matière lors de sa traversée de l’atmosphère, tous ne se vaporisent pas.
Corps
Une partie des gros corps célestes qui croisent la route de notre planète finit sa course sur le sol terrestre, devenant ainsi météorite, en général, le résidu parvenant à atterrir représente entre un centième et un millième de la roche initiale.
Météore
À noter que la traînée lumineuse créée par la chute d’un météoroïde dans l’atmosphère est appelée météore, les météores les plus lumineux, visibles de jour, sont eux qualifiés de bolides.
Catalogue
La Meteoritical Society, qui publie chaque année un catalogue des nouvelles météorites classifiées, en dénombre plus de 64 000 en 2021.
Découvertes
Chaque année, 1500 météorites supplémentaires sont découvertes et s’ajoutent à ce total, dont 1400 grâce à l’observation de leur météore, l’immense majorité 99,8 % ! des météorites ramassées sur Terre correspond à des fragments d’astéroïdes.
Collision
Souvent, ces fragments proviennent de la collision de deux astres de la ceinture principale entre Mars et Jupiter, un des deux principaux réservoirs à petits corps du Système solaire avec la ceinture de Kuiper.
Hoba, la plus grosse météorite du monde. Crédit : CC BY-SA 2.0.
Grosse
La plus grosse météorite du monde a été évaluée à près de 70 tonnes à son arrivée sur Terre. Appelée météorite de Hoba, elle est le plus gros bloc naturel de fer connu sur notre planète.
Chute
Depuis sa vertigineuse chute en Namibie, il y a environ 80 000 ans, érosion, prélèvements scientifiques, mais aussi actes de vandalisme ont réduit sa masse à 60 tonnes (tout de même !).
Impact
En outre, il arrive que les météorites ne soient pas issues d’astéroïdes. Certaines résultent en effet de l’impact avec un astéroïde… Et la Lune, même Mars !
Collision
Après une collision avec la surface de notre satellite naturel ou de la planète rouge, des fragments de roche de ces derniers peuvent être éjectés dans l’espace.
Cailloux
Si le choc est suffisamment puissant, ces cailloux échappent alors à l’attraction gravitationnelle de leur corps parent pour venir croiser l’orbite de la Terre par la suite, ce transfert peut d’ailleurs prendre jusqu’à plusieurs millions d’années.
Antarctique
La première météorite lunaire, Allan Hills A81005, a été découverte en 1982 lors d’une expédition en Antarctique, à ce jour, on en recense plus de 160.
Martiennes
Les météorites martiennes sont aussi très peu nombreuses, seulement entre 120 et 150 environ. En outre, il existe un type de roche encore plus rare : les météorites en provenance de Mercure.
Roche
Une roche découverte en 2012 au Maroc a été soupçonnée d’être la première jamais repérée. Elle ne comporte en effet aucune trace de fer, point commun avec la surface de Mercure quasiment dépourvue de ce métal, toutefois, l’origine du caillou n’a toujours pas été confirmée…
Une météorite.
Vénus
À noter qu’aucune météorite ne peut provenir de Vénus. La gravité y est si forte qu’un morceau de la planète issu d’un impact ne pourrait pas s’en échapper.
Gravité
La gravité de Jupiter nous empêche de recevoir des fragments en provenance de ses satellites rocheux (Io, Europe, Ganymède et Callisto).
Noyaux
Enfin, certaines météorites pourraient être issues de noyaux de comètes, comme plusieurs scientifiques l’affirment pour la météorite d’Orgueil, cette dernière est une référence, car elle possède la même composition chimique… Que le Soleil !
Écrasée
La roche de 14 kg s’est écrasée dans le Tarn-et-Garonne en 1864 et fait partie des météorites primitives ou chondrites, qui n’ont quasiment pas évolué depuis 4,57 milliards d’années.
Décelé
On y a même décelé des traces d’acides aminés, les "briques élémentaires" de la vie.
Indices
La météorite d’Orgueil et les chondrites sont ainsi de précieux indices pour la compréhension des processus de formation du Système solaire et de l’apparition de la vie sur Terre, l’analyse de certaines a même révélé la présence de matière datant d’avant l’apparition du Soleil…
Trouver
Où trouver une météorite ? Statistiquement, entre 2000 et 5000 météorites de plus d’un kilogramme atterrissent sur notre planète chaque année, plus des deux tiers se perdent, notamment dans les océans qui recouvrent près de 71 % de la surface terrestre.
Chasse
Mais restons positifs, la chasse aux météorites n’est pas mission impossible, tout d’abord, il faut sélectionner des terrains nus et homogènes, où un caillou isolé tombé du ciel et encore non recouvert de sable ou de neige se repère facilement : désert, banquise, lac asséché…
Décomposition
Les climats humides provoquent une décomposition rapide des météorites, donc les endroits secs sont conseillés, c’est pour l’instant dans le désert du Sahara qu’on en a découvert le plus grand nombre.
Statistiquement
Statistiquement, entre 2000 et 5 000 météorites de plus d’un kilogramme atterrissent sur notre planète chaque année, en toute logique, il est aussi probable de trouver des fragments de météorite dans les cratères d’impact, mais comment les repérer ?
Cratères
Un creux relativement circulaire à la surface de la Terre peut correspondre à un cratère volcanique, un effondrement du sol, un plissement naturel… Heureusement, les cratères météoritiques ont une particularité.
Cratère Manicouagan au Canada, un des plus grands du monde (100 km de diamètre).
Impact
L’impact produit par une météorite est tellement violent qu’il parvient à modifier la structure cristalline des quartz.
Espèce
Cette espèce minérale est contenue dans tous les granites, roches qui forment l’essentiel de la croûte terrestre et donc présentes un peu partout.
Microscope
Les quartz "choqués" sont des marqueurs de la présence d’un cratère de météorite, aucun autre choc naturel ne pouvant justifier leur présence. Pour les repérer, il faut nécessairement utiliser un microscope.
Reconnaître
Comment reconnaître une météorite ? Pour différencier une météorite d’une roche terrestre, le premier critère est l’aspect visuel.
Atmosphère
En traversant l’atmosphère, les météorites s’échauffent et se vaporisent partiellement, d’où la présence d’une croûte de fusion de quelques millimètres d’épaisseur à leur surface.
Noire
Elles sont de couleur noire si la chute est récente, puis avec le temps, s’oxydent et se teintent en brun.
Brillantes ou mates
Les météorites peuvent être brillantes ou mates, et présenter des reflets métalliques. En général, leur surface est plutôt régulière.
Regmaglyptes
Bien qu’elles puissent présenter de petites zones arrondies ou encore des regmaglyptes, plus simplement nommées "empreintes de pouces" similaires à des traces de doigts dans de la pâte à modeler.
Masse
Un second critère pour différencier une météorite d’une pierre quelconque est sa masse. L’étude de la composition chimique des météorites ramassées sur Terre permet de les diviser en trois familles : les météorites pierreuses (92,8 %).
Densité
Les météorites pierreuses, appelées lithoïdes (chondrites à 85,7 % et achondrites à 7,1 %), ont une densité environ deux fois moins importantes que celle des roches terrestres. Pour un caillou de même volume, elles paraîtront donc plus légères.
Denses
À l’inverse, les météorites ferreuses, ou sidérites, sont en général deux à trois fois plus denses et donc plus lourdes que les roches terrestres de même taille.
Sidérites
De plus, composées essentiellement de fer, les sidérites contiennent entre 20 et 100 fois plus de nickel, platine et iridium qu’une pierre quelconque.
Aimant
Un simple aimant au bout d’un bâton ou un détecteur de métaux plus sophistiqué permet ainsi de repérer une potentielle météorite ferreuse parmi d’autres roches, avant vérification au microscope.
Grains
Enfin, si la météorite a été brisée, il est possible d’observer de petits grains métalliques, ou si c’est une chondrite, de minuscules billes composées majoritairement de silicate et appelées chondres, une caractéristique quasi-absente des roches terrestres.
Analyse
Finalement, pour être sûr qu’une roche soit bien issue de l’espace, une analyse en laboratoire est indispensable.
Météorite de Fukang, la plus chère du monde. Crédit : Arizona Meteorite Laboratory.
Chasseurs
Maintenant, que vous avez tous les ingrédients pour partir à la recherche d’une météorite, sachez qu’au-delà de l’activité de loisir, il existe des chasseurs de météorites professionnels.
Jargon
Dans leur jargon, ils distinguent les "chutes" qui correspondent aux météorites découvertes après observation de leur météore, et les "trouvailles", roches qui ont pu atterrir il y a des années.
Nommées
Les météorites sont très souvent nommées d’après la ville ou du lieu-dit le plus proche duquel elles ont été trouvées.
Valeur
Les météorites ont non seulement une grande valeur scientifique, mais comme beaucoup d’objets rares, également une grande valeur marchande, les collectionneurs négocient par exemple les météorites d’origine martienne autour de 1000 € le gramme !
Rare
En 2000, une météorite de type pallasite extrêmement rare d’environ une tonne a été découverte dans le désert de Gobi (Chine), nommée météorite de Fukang, elle est la plus chère du monde avec une valeur de 1,7 million d’€ !
Le rover Perseverance a détecté de potentielles biosignatures sur Mars
Le rover Perseverance.
Le robot a prélevé des échantillons de roche et y a détecté des composés organiques qui peuvent correspondre à une ancienne vie microbienne. Mais pour en avoir la certitude, il faudra les étudier sur Terre.
Traces
Le rover Perseverance a franchi une étape majeure dans sa quête de traces de vie ancienne sur Mars avec la collecte des échantillons « les plus précieux » jusqu'ici, contenant de potentielles biosignatures dont la nature devra être confirmée une fois sur Terre.
Preuve
S'il ne s'agit pas encore d'une preuve que la vie a un jour existé sur la planète rouge, ces prélèvements représentent la meilleure chance jusqu'ici de pouvoir un jour arriver à détecter avec certitude une possible ancienne vie microbienne.
Biosignature
Une biosignature potentielle peut avoir été produite par la présence de vie, mais aussi par un autre mécanisme n'impliquant pas la vie.
Échantillons
Pour considérer cette biosignature comme définitive, ces échantillons devront donc être analysés par de puissants instruments de laboratoire, sur Terre.
Rapporter
La NASA prévoit de les rapporter grâce à une autre mission d'ici 2033.
Précieux
« Je pense qu'on peut dire qu'il va s'agir, et qu'il s'agit déjà, des échantillons de roche les plus précieux jamais collectés », a déclaré lors d'une conférence de presse David Shuster, de l'Université de Californie à Berkeley.
Carottes
Deux carottes grandes comme un petit doigt, et conservées dans des tubes scellés à bord du rover, ont été prélevées en perçant dans une roche baptisée « Wildcat ridge ».
Delta
Grande d'environ un mètre, elle est située dans un delta s'étant formé, il y a environ 3,5 milliards d'années, à la rencontre d'une rivière et d'un ancien lac.
Roche
Cette roche est particulièrement intéressante, car il s'agit d'une roche sédimentaire, qui semble s'être formée au moment où l'eau du lac s'est évaporée.
David Shuster
« Wildcat ridge » a ainsi « un haut potentiel de conservation d'une biosignature », a déclaré David Shuster.
Composés
Analysée séparément par un instrument au bout du bras robotique de Perseverance, la roche a révélé la présence la plus abondante de composés organiques détectée en un an et demi de mission.
Ken Farley
Ces composés, faits notamment de carbone, et pouvant aussi contenir de l'hydrogène, « sont les éléments de base de la vie », a déclaré Ken Farley, en charge de la partie scientifique de la mission.
Cratère
Ils ont été détectés en moins grande quantité par le rover lors de précédentes analyses dans le cratère de Jézéro, qui contenait le lac, mais « à mesure que nous progressons dans le delta.»
Sunanda Sharma
« Les indices deviennent de plus en plus forts », a résumé Sunanda Sharma, scientifique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA.
Résultats
« Je trouve personnellement ces résultats très émouvants, car il semble que nous soyons au bon endroit, avec les bons instruments, à un moment charnière », a-t-elle déclaré.
Roches
« Ces roches sont exactement ce que nous étions venus chercher », a déclaré Ken Farley.
Analyses
D'autres analyses du rover ont par ailleurs surpris les scientifiques. Au fond du cratère, ils ont « trouvé des roches ignées, c'est-à-dire des roches cristallisées après avoir fondu », a déclaré Ken Farley.
Volcanisme
Cette découverte indique « un volcanisme actif », et qu'avant d'accueillir de l'eau, le cratère a possiblement été rempli « d'un lac de lave », a-t-il dit.
Échantillons
Des échantillons de ces roches magmatiques ont été prélevés, et leur analyse sur Terre devrait permettre de déterminer pour la première fois directement l'âge de la surface de Mars.
Récupérer
Mais récupérer ces échantillons ne sera pas une mince affaire. En 2028, une mission décollera en direction de Mars, elle transportera un atterrisseur, avec sur son dos une mini-fusée.
Roulera
Le rover Perseverance roulera jusqu'à lui, et les échantillons seront placés dans la mini-fusée par un bras robotique.
Cargaison
Puis celle-ci décollera, et la précieuse cargaison sera transférée dans un vaisseau préalablement placé en orbite autour de Mars.
Orbiteur
Une fois les échantillons récupérés, cet orbiteur reprendra le chemin de la Terre, pour un atterrissage dans le désert de l'Utah, en 2033.
Défaillance
En cas de défaillance de Perseverance, l'atterrisseur enverra deux petits hélicoptères récupérer les échantillons, en allant soit jusqu'au rover lui-même, soit à une réserve de secours.
Perseverance
En effet, Perseverance collecte depuis le début de sa mission deux échantillons de chaque roche. Une dizaine d'entre eux (la moitié du nombre collecté) seront bientôt déposés dans une zone très plate, où il sera facile d'atterrir en cas de besoin.
Échantillons
Ils représentent les échantillons de repli s'il est devenu impossible d'accéder au rover, après avoir laissé ce trésor sur la surface martienne, dans les semaines qui viennent, Perseverance continuera son exploration pour remplir la vingtaine de tubes encore vides.
Lac
Le prochain but sera de rejoindre la rive surplombant l'ancien lac, ce qui prendra environ un an.
L'Univers avant le Big Bang
Le Big Bang.
L’application de la théorie des cordes à la cosmologie suggère que le Big Bang ne serait pas le début de l’Univers, mais l’aboutissement d’un état cosmique antérieur. Deux scénarios s’opposent sur la description de cet « avant ».
Commencement
Le Big Bang, est-il le commencement du temps, ou l’Univers existait-il avant ? Il y a moins de dix ans, une telle question aurait eu des allures de sacrilège.
Cosmologistes
Pour les cosmologistes, une telle interrogation n’avait tout simplement pas de sens. Imaginer une époque antérieure au Big Bang, c’était comme chercher un point au Nord du pôle Nord.
Théorie
Selon la théorie de la relativité générale, un Univers en expansion doit avoir commencé par un Big Bang, ce qui implique la finitude du temps, apparu simultanément avec l’espace et l’énergie-matière.
Naissance
Cette façon de voir s’est modifiée au cours des dernières années. Lors de sa naissance, l’Univers était concentré en une région si minuscule que les lois de la physique quantique devaient s’y appliquer.
Big Bang
La relativité générale, qui n’est pas une théorie quantique, cesse d’être valide à l’échelle du Big Bang, la théorie des cordes, qui se développe depuis une trentaine d’années, est susceptible de prendre le relais en offrant une description quantique de la gravitation.
Univers
Elle a récemment permis de concevoir deux modèles cosmologiques le modèle pré-Big Bang et le modèle ekpyrotique décrivant un Univers antérieur au Big Bang.
Scénarios
Ces scénarios, où le temps n’a ni commencement, ni fin, pourraient avoir laissé des traces observables dans le fond diffus cosmologique, le rayonnement émis peu après le Big Bang et que l’on détecte aujourd’hui sous une forme fossile sur l’ensemble du ciel.
Revirements
La volonté récente de prendre en compte ce qui pourrait s’être passé avant l’origine de l’Univers n’est que le dernier en date des revirements intellectuels qui se sont succédé durant des millénaires.
Cultures
Dans toutes les cultures, les philosophes et les théologiens ont été confrontés à la question du commencement des temps et de l’origine du monde.
Arbre
Notre « arbre généalogique » passe par les premières formes de vie, la formation des étoiles, la synthèse des premiers éléments et remonte jusqu’à l’énergie qui baignait l’espace primordial.
Origine
Continue-t-il ainsi éternellement ou prend-il racine quelque part ? Les philosophes grecs ont longuement débattu de l’origine du temps, Aristote défendait l’absence de commencement en invoquant le principe selon lequel rien ne surgit de rien. Si l’Univers ne peut naître ex nihilo, il doit avoir toujours existé.
Temps
Le temps devrait s’étendre éternellement dans le passé comme dans le futur. Les théologiens chrétiens ont défendu le point de vue inverse.
Dieu
Dieu existe en dehors de l’espace, Saint Augustin affirmait que Dieu existe en dehors de l’espace et du temps et qu’il est capable de les créer comme il a forgé les autres aspects du monde.
Monde
Que faisait alors Dieu avant de créer le monde ? Selon saint Augustin, le temps lui-même faisant partie de la création divine, il n’y avait tout simplement pas d’avant.
Conclusion
La théorie de la relativité générale a conduit les cosmologistes modernes à une conclusion très semblable, dans ce cadre, l’espace et le temps ne sont pas rigides et absolus, mais dynamiques et déformés par l’influence de la matière.
Échelles
À de grandes échelles de distance, l’espace se courbe, s’étend ou se contracte au cours du temps, en emportant avec lui la matière.
Astronomes
Au cours des années 1920, à la suite d’Edwin Hubble, les astronomes ont confirmé que notre Univers est en expansion, les galaxies s’éloignent les unes des autres.
Conséquences
Une des conséquences de cette expansion est que le temps ne peut s’étendre indéfiniment vers le passé.
Histoire
En projetant le film de l’Histoire cosmique à l’envers, les galaxies se rapprochent les unes des autres jusqu’à se rejoindre en un point infinitésimal, nommé singularité.
Galaxies
Toutes les galaxies ou plutôt leurs précurseurs se retrouvent dans un volume nul. La densité, la température, mais aussi la courbure de l’espace-temps, deviennent infinies.
Singularité
La singularité est le cataclysme ultime au-delà duquel nous ne pouvons plus poursuivre de généalogie cosmique.
Déroulement
Ce déroulement soulève de nombreuses questions. En particulier, il semble peu compatible avec le fait que l’Univers apparaisse homogène, à grande échelle, dans toutes les directions.
Cosmos
Pour que le cosmos ait le même aspect en tout point, il faut qu’une forme d’interaction se soit établie entre les régions éloignées de l’espace afin que leurs propriétés se soient homogénéisées.
Expansion
Or, cela contredit les données de l’expansion cosmologique. La lumière a été libérée. Il y a 13,7 milliards d’années (c’est le fond diffus cosmologique observé aujourd’hui dans le domaine des micro-ondes).
Séparées
Séparées par plus de 25 milliards d’années-lumière, dans toutes les directions, on trouve des galaxies distantes de plus de 13 milliards d’années-lumière.
Galaxies
Il existe ainsi des galaxies, dans des directions opposées, qui sont séparées par plus de 25 milliards d’années-lumière.
Régions
Par conséquent, ces régions n’ont jamais été en contact : elles n’ont pas eu le temps d’échanger de la lumière, ni a fortiori de la matière. Leur densité, leur température et autres propriétés n’ont pas pu être homogénéisées.
Propriétés
Pourtant, les propriétés de la Voie lactée sont à peu près les mêmes que celles de ces galaxies lointaines cette homogénéité pourrait être une coïncidence.
Difficile
Cependant, il est difficile d’admettre que les dizaines de milliers de parties indépendantes dans l’image du fond diffus cosmologique, statistiquement identiques, avaient dès le début des propriétés identiques.
Explications
Il existe deux explications plus naturelles : soit l’Univers était dans ses premiers instants beaucoup plus petits que ne le suppose la cosmologie classique, soit il est beaucoup plus vieux, dans les deux cas, deux parties distantes du ciel avant l’émission du rayonnement cosmologique auraient pu interagir.
Hypothèse
La première hypothèse est celle que les astrophysiciens préfèrent. L’Univers aurait connu une période d’expansion vertigineuse, l’inflation, au tout début de son histoire.
Proches
Auparavant, toutes les régions de l’Univers étaient si proches que leurs propriétés se sont homogénéisées, puis au cours de la phase d’inflation, l’expansion s’est emballée et l’Univers s’est dilaté plus vite que la lumière.
Isolées
Isolées les unes des autres les différentes parties du cosmos ont été isolées les unes des autres. Après une infime fraction de seconde, l’inflation a pris fin et l’expansion a retrouvé un cours tranquille.
Contact
Le contact entre les galaxies s’est progressivement rétabli alors que la lumière rattrapait son retard, créé par l’inflation.
Expansion
Pour expliquer cette expansion frénétique, les physiciens ont introduit un nouveau champ de force, l’inflaton, qui a produit une force gravitationnelle répulsive très élevée dans les premiers instants suivant le Big Bang.
Gravitation
Contrairement à la gravitation, l’inflaton accélère l’expansion. Une fraction de seconde après le Big Bang, il s’est épuisé, la force répulsive a disparu et la gravitation a repris le dessus.
Alan Guth
Cette théorie, proposée en 1981 par le physicien Alan Guth, a permis d’expliquer un grand nombre d’observations, néanmoins, certaines difficultés théoriques subsistent, à commencer par la nature de l’inflation.
Résoudre
La seconde façon de résoudre le problème est moins classique : elle suppose l’Univers beaucoup plus vieux que prévu, si le temps n’a pas commencé avec le Big Bang, et si une longue ère a précédé le début de la période d’expansion actuelle, l’Univers a eu amplement le temps de s’homogénéiser.
Singularité
Un tel scénario élimine en outre la difficulté posée par la singularité qui surgit lorsqu’on veut étendre la relativité générale au-delà de son domaine d’application.
Effets
En effet, à l’approche du Big Bang, le confinement de la matière est tel que les effets quantiques doivent être dominants, et la relativité n’en tient aucun compte.
Découvrir
Pour découvrir ce qui s’est réellement passé, les physiciens doivent remplacer la relativité générale par une théorie quantique de la gravitation, les théoriciens s’y sont employés depuis l’époque d’Einstein, sans grands progrès jusqu’au milieu des années 1980.
Deux visions du commencement. Dans notre Univers en expansion,
Approches
Aujourd’hui, deux approches semblent prometteuses. La première, la gravitation quantique à boucles, conserve l’essentiel de la relativité la nature dynamique de l’espace-temps, et l’invariance par rapport au système de coordonnées utilisé et met ces principes en œuvre dans le cadre de la physique quantique.
Morceaux
L’espace-temps qui en résulte est formé de minuscules morceaux insécables. Ces dernières années, la gravitation quantique en lacets a connu d’importants progrès.
Radicale
Elle n’est peut-être pas assez radicale pour résoudre tous les problèmes posés par la quantification de la gravitation.
Théorie
La seconde approche, sur laquelle sont fondés les scénarios présentés ici, est la théorie des cordes, sa première ébauche est apparue en 1968 dans un modèle que j’ai proposé pour décrire les interactions des constituants du noyau atomique.
Quantique
Ce n’est que dans les années 1980 qu’elle a ressuscité pour devenir une théorie candidate à l’unification de la relativité générale et de la théorie quantique.
Idée
Son idée de base est que les composants fondamentaux de la matière ne sont pas ponctuels, mais unidimensionnels, à l’instar de cordes sans épaisseur.
Violon
Ces cordes vibrent comme celles d’un violon, et le vaste bestiaire des particules, dotées chacune de propriétés caractéristiques, reflète les différents modes de vibration.
Lois
Les lois quantiques permettent à ces cordes vibrantes dénuées de masse de décrire les particules et leurs interactions, et elles font émerger de nouvelles propriétés ayant de profondes implications pour la cosmologie, premièrement, des effets quantiques imposent aux cordes une taille minimale de l’ordre de 10-34 mètres.
Constante
Ce quantum irréductible de longueur, noté, est une nouvelle constante de la nature, aux côtés de la vitesse de la lumière et de la constante de Planck, dans la théorie des cordes, elle joue un rôle crucial en imposant une borne finie à des quantités qui, sans cela, deviendraient nulles ou infinies.
Énergie
Deuxièmement, l’énergie de certains modes de vibration des cordes correspond aux masses des particules, par ailleurs, ces vibrations confèrent aux cordes un moment cinétique intrinsèque, ou spin.
Cordes
Les cordes peuvent acquérir plusieurs unités de spin tout en restant de masse nulle : elles sont à même de représenter les bosons, particules messagères des forces fondamentales (tel le photon pour l’électromagnétisme).
Graviton
Historiquement, c’est en découvrant des modes de vibration de spin égal à deux, identifiés à la particule supposée véhiculer l’interaction gravitationnelle, le graviton, que les physiciens ont entrevu l’intérêt de la théorie des cordes pour la quantification de la gravité.
Dimensions
Troisièmement, les équations de la théorie des cordes ne sont cohérentes que si l’espace a neuf dimensions au lieu des trois usuelles, et si les six dimensions spatiales supplémentaires sont enroulées sur de très petites distances.
Constantes
Quatrièmement, les constantes qui décrivent l’intensité des forces fondamentales, telle la constante de gravitation ou la charge électrique, ne sont plus fixées arbitrairement, mais apparaissent dans la théorie des cordes sous forme de champs dont les valeurs évoluent au cours du temps.
Champs
L’un de ces champs, le dilaton, joue un rôle particulier : il détermine l’évolution des autres champs, c’est-à-dire l’intensité de toutes les interactions.
Époques
Au cours de différentes époques cosmologiques, les « constantes » de la physique ont ainsi pu connaître de minuscules variations. Les astrophysiciens cherchent aujourd’hui à les mesurer en observant l’Univers lointain.
Symétrie
Enfin, les cordes ont révélé l’existence de nouvelles symétries de la nature, les dualités, qui transforment radicalement notre compréhension intuitive du comportement des objets à des échelles extrêmement petites.
Dimensions
L’une de ces symétries, la T-dualité, relie les petites et les grandes dimensions supplémentaires. Cette symétrie est liée à la plus grande variété de mouvements possibles pour les cordes, par rapport à des particules ponctuelles.
Boucle
Considérons une corde fermée (une boucle) se déplaçant dans un espace à deux dimensions dont l’une est repliée en un petit cercle, cet espace équivaut à la surface d’un cylindre.
Vibrer
En plus de vibrer, la corde peut se déplacer à la surface, mais aussi s’enrouler une ou plusieurs fois autour du cylindre, tel un élastique retenant une affiche enroulée.
Énergie
Vibration, déplacement et enroulement participent à l’énergie totale de la corde. L’énergie des deux derniers modes dépend de la taille du cylindre. L’énergie d’enroulement est proportionnelle au rayon du cylindre : plus il est grand, plus la corde doit être étirée pour s’enrouler, de sorte qu’elle emmagasine davantage d’énergie.
Enroulée
En revanche, le long de la dimension enroulée, le déplacement d’une corde se traduit par une énergie inversement proportionnelle au rayon.
Cylindre
Plus le cylindre est gros, plus la corde peut s’y déplacer « tranquillement » Les relations d’indétermination de la mécanique quantique empêchent une particule localisée avec précision d’être au repos.
Particule
Une particule confinée est ainsi animée d’une grande vitesse, tandis qu’une particule dont la position est peu contrainte se déplace plus « tranquillement. »
Étroit
Sur un cylindre plus étroit, l’enroulement de la corde nécessite une énergie inférieure, tandis que le déplacement est plus agité et confère plus d’énergie au système.
Modes
Si l’on échange un cylindre d’un rayon donné R avec un cylindre de rayon inverse 1/R (l’unité étant la longueur minimale des cordes), les séries d’états d’énergie produits par les deux modes sont échangées, mais l’ensemble des états reste identique.
Observateur
Pour un observateur extérieur, les grandes dimensions enroulées sont alors physiquement équivalentes aux petites, de rayon inverse.
Théorie des cordes et dualité.
T-dualité
La T-dualité est plus facile à comprendre dans le cadre d’espaces dotés d’une dimension circulaires de taille finie, mais elle s’applique également aux trois dimensions infinies de l’espace ordinaire.
Facteur
Ce n’est pas la taille de l’espace pris dans son ensemble qui importe, mais son facteur d’échelle, le rapport entre l’écartement des objets qu’il contenait à une date donnée et leur éloignement actuel.
Univers
Selon la T-dualité, un Univers où le facteur d’échelle est très petit est équivalent à un Univers où le facteur d’échelle est grand, une telle symétrie n’existe pas dans la relativité générale. Elle provient du cadre unificateur de la théorie des cordes.
Théoriciens
Pendant des années, les théoriciens des cordes ont pensé que la T-dualité ne s’appliquait qu’aux cordes fermées.
Joseph Polchinsky
En 1995, Joseph Polchinsky, de l’Université de Santa Barbara, a montré qu’elle reste valable pour les cordes ouvertes, moyennant des conditions, dites de Dirichlet, sur leurs extrémités, en plus d’inverser les rayons des dimensions enroulées, on doit fixer les extrémités des cordes dans un certain nombre de dimensions.
Extrémités
Ainsi, les extrémités d’une corde peuvent flotter librement dans trois des dix dimensions spatiales tandis que leur mouvement dans les sept autres est bloqué.
Petr Horava
Trois dimensions libres forment un sous-espace nommé membrane, ou D-brane. En 1996, Petr Horava, de l’Université Rutgers, et Edward Witten, de l’Institut d’études avancées de Princeton, ont imaginé que notre Univers réside sur une telle D-brane de dimension trois.
Électrons
La mobilité partielle des électrons et des autres particules expliquerait pourquoi nous ne pouvons percevoir les dix dimensions de l’espace.
Propriétés
Toutes les propriétés des cordes suggèrent la même chose : les cordes détestent l’infini. Comme elles ne peuvent être réduites à un point, elles éliminent les paradoxes provoqués par un tel effondrement.
Taille
Leur taille non nulle et les symétries nouvelles qui leur sont associées imposent des bornes supérieures aux quantités physiques qui croissent indéfiniment dans les théories classiques, et des bornes inférieures aux quantités qui diminuent.
Film
Lorsqu’on projette le film de l’Histoire cosmique à l’envers, l’espace-temps se contracte et le rayon de courbure de toutes les dimensions rétrécit.
Théoriciens
Selon les théoriciens des cordes, la T-dualité empêche le rayon de courbure de décroître jusqu’à zéro et de provoquer la singularité du Big Bang standard.
Longueur
Parvenue à la longueur minimale possible, cette contraction devient physiquement équivalente à une expansion de l’espace, dont le rayon de courbure recommence à croître. La T-dualité fait « rebondir » l’effondrement, qui devient une nouvelle expansion.
Singularité
La singularité disparue, rien n’empêche d’imaginer que l’Univers existait avant le Big Bang. En combinant les symétries introduites par la théorie des cordes avec la symétrie par renversement du temps, selon laquelle les équations de la physique fonctionnent indifféremment.
Applique
Lorsqu’on les applique vers le futur ou vers le passé, les chercheurs ont imaginé de nouvelles cosmologies, où le Big Bang n’est pas le commencement du temps, mais seulement une transition violente entre deux états de l’Univers : avant, l’expansion accélère, après, elle ralentit.
Intérêt
L’intérêt de cette conception est qu’elle intègre automatiquement les idées du modèle inflationniste, c’est-à-dire l’existence d’une période d’inflation accélérée capable de justifier l’homogénéité de l’Univers.
Standard
Dans la théorie standard, l’accélération est causée après le Big Bang par l’inflaton. Dans la cosmologie des cordes, l’accélération se produit avant le Big Bang et résulte des symétries de la théorie.
Extrêmes
Les conditions régnant aux abords du Big Bang sont si extrêmes que nul ne sait résoudre les équations qui le décrivent.
Décrire
Néanmoins, les théoriciens des cordes se sont risqués à décrire certains aspects de l’Univers précédant le Big Bang, deux modèles sont aujourd’hui à l’étude.
Image
Le premier, connu sous le nom de scénario pré-Big Bang, postule que l’Univers antérieur au Big Bang est une image en miroir de l’Univers postérieur à cet événement.
Gaz
L’Univers s’étend éternellement dans le futur comme dans le passé. Il y a infiniment longtemps, il était presque vide et ne contenait qu’un gaz raréfié de rayonnements et de matière.
Forces
Les forces de la nature, contrôlées par le dilaton, étaient si faibles que les particules de ce gaz interagissaient à peine, avec le temps, les forces ont gagné en intensité et la matière a commencé à s’agréger.
Densité
Certaines régions en ont accumulé aux dépens de leurs voisines. La densité y est devenue telle que des trous noirs se sont formés. La matière piégée à l’intérieur a été isolée et l’Univers s’est scindé en morceaux déconnectés.
Trou
Au sein de chaque trou noir, la densité de matière était toujours plus élevée. Lorsque la densité, la température et la courbure ont atteint les valeurs maximales permises par la théorie des cordes, ces quantités ont « rebondi » et commencé à décroître.
Renversement
Le Big Bang n’est autre que le moment où s’est produit ce renversement. L’intérieur de l’un de ces trous noirs est devenu notre Univers.
© Samuel Velaco.
Tentative
Ce scénario pré-Big Bang, que j’ai proposé avec des collègues en 1991, a été la première tentative d’application de la théorie des cordes à la cosmologie, il a suscité de nombreuses critiques, dont il nous reste à déterminer si elles ont mis le doigt sur une faille importante.
Conflagration
L’autre principal modèle décrivant l’Univers avant le Big Bang est qualifié de scénario ekpyrotique (du mot grec signifiant conflagration).
Neil Turok
Développé depuis 2001 par Neil Turok, de l’Université de Cambridge, et Paul Steinhardt, de l’Université de Princeton, ce scénario est fondé sur l’idée que notre Univers serait une D-brane qui flotte à proximité d’une autre dans un espace de dimension supérieure.
Ressort
L’espace séparant les branes se comporterait comme un ressort qui les conduit à entrer en collision tandis qu’elles se contractent.
Matière
L’énergie du choc est convertie en matière et en rayonnement : c’est le Big Bang. Dans l’une des variantes de ce scénario, les collisions se produisent de façon cyclique.
Deux
Deux branes se rencontrent, rebondissent et s’écartent avant de retomber l’une sur l’autre et ainsi de suite, entre ces collisions, les branes se dilatent continuellement, à l’exception d’une phase de contraction avant le choc, l’expansion ralentit lorsque les branes s’écartent et accélère lorsqu’elles se rapprochent à nouveau.
Phase
La phase actuelle d’accélération de l’expansion cosmique, découverte ces dernières années lors de l’observation de supernovae lointaines, annonce peut-être une prochaine collision.
Communs
Les scénarios pré-Big Bang et ekpyrotique partagent des traits communs. Tous deux commencent avec un Univers immense, froid et presque vide, et tous deux peinent à expliquer la transition entre les phases pré- et post-Big Bang.
Mathématiquement
Mathématiquement, leur principale différence réside dans le comportement du dilaton. Dans le scénario pré-Big Bang, il a initialement une valeur très basse, de sorte que les forces fondamentales sont faibles, et il gagne progressivement en intensité.
Scénario
Dans le scénario ekpyrotique, c’est le contraire : la collision se produit lorsque l’intensité des forces est minimale, cette faiblesse des forces a suscité l’espoir de réussir à analyser le rebond avec des techniques classiques.
Variantes
Malheureusement, dans les variantes actuelles, quand les branes se rapprochent jusqu’à s’entrechoquer, la dimension qui les sépare « s’effondre », de sorte que la singularité ne peut être évitée.
Obstacle
Autre obstacle, il faut finement ajuster les conditions initiales pour que l’on puisse résoudre les problèmes cosmologiques classiques, par exemple, avant le choc, les branes doivent être quasiment parallèles, sans quoi elles ne donnent pas lieu à un Big Bang assez homogène.
Étayer
En laissant de côté la difficile tâche d’étayer ces deux scénarios d’un point de vue mathématique, les physiciens cherchent d’ores et déjà des conséquences observables.
Vue
À première vue, les deux modèles évoquent davantage des spéculations métaphysiques que des théories physiques. Toutefois, des détails de l’époque antérieure au Big Bang pourraient avoir des conséquences observables, tout comme ceux de l’époque d’inflation.
Minuscules
Les minuscules fluctuations observées dans la température et la polarisation du rayonnement du fond diffus cosmologique fournissent des tests empiriques.
Marque
On interprète les fluctuations de température comme la marque d’ondes acoustiques qui se sont propagées dans le plasma primordial durant les 380 000 ans précédant l’émission du rayonnement de fond cosmologique.
Régularité
La régularité de ces fluctuations prouve que les ondes acoustiques ont été engendrées au même moment, les modèles inflationnistes, pré-Big Bang et ekpyrotique satisfont tous les trois cette contrainte et passent ce premier test.
Ondes
Les ondes acoustiques y sont engendrées au même moment par des fluctuations quantiques amplifiées lors de la phase d’expansion accélérée.
Spécifique
Par ailleurs, chaque modèle prédit une répartition angulaire spécifique des fluctuations. Les observations montrent que l’amplitude des fluctuations de grande taille angulaire est constante, tandis qu’aux petites échelles, on observe des pics.
Distribution
Le modèle inflationniste reproduit parfaitement cette distribution. Durant l’inflation, la courbure de l’espace-temps change lentement.
Engendrées
Des fluctuations de tailles différentes sont ainsi engendrées dans des conditions similaires et le spectre de fluctuation initial est invariant par rapport à l’échelle angulaire.
Pics
Les pics aux petites échelles résultent de l’altération des fluctuations initiales, dans la suite de l’Histoire de l’Univers, dans la cosmologie des cordes, la courbure de l’espace-temps évolue très vite, ce qui accroît l’amplitude des fluctuations à petite échelle.
Processus
Cependant, d’autres processus compensent ce phénomène : dans le scénario ekpyrotique, la contraction des branes produit un spectre de fluctuation invariant d’échelle.
Modèle
Dans le modèle pré-Big Bang, intervient un champ quantique nommé curvaton. Aussi, pour le moment, les trois modèles correspondent aux observations.
Polarisation
La polarisation du fond diffus cosmologique fournit un autre test. Contrairement aux autres modèles, le scénario d’inflation prévoit que les ondes gravitationnelles ont contribué aux fluctuations de température.
Signature
Certaines de ces ondes gravitationnelles auraient laissé une signature dans la polarisation du rayonnement de fond cosmologique.
Satellite
Les observations du satellite Planck de l’Agence spatiale européenne pourraient déceler cette signature, si elle existe,sa découverte apporterait un argument de poids en faveur de l’inflation.
Fond
L’analyse du fond cosmologique n’est pas la seule façon de tester ces théories. Le scénario pré-Big Bang prédit l’émission d’ondes gravitationnelles, dont certaines seraient accessibles aux détecteurs d’ondes gravitationnelles tels que VIRGO.
Ekpyrotique
Par ailleurs, puisque les scénarios ekpyrotique et pré-Big Bang impliquent des variations du dilaton, qui est couplé au champ électromagnétique, ils prédisent l’existence de fluctuations du champ magnétique à grande échelle.
Vestiges
On pourrait découvrir des vestiges de ces fluctuations dans les champs magnétiques galactiques. Quant à donc commencé le temps ?
Science
La science n’apporte pas encore de réponse à cette question, mais elle dispose d’au moins deux théories potentiellement testables qui affirment de façon plausible que l’Univers et par conséquent le temps existait avant le Big Bang.
Si l’un de ces scénarios est vrai, alors le cosmos a toujours existé.
Une étrange planète enveloppée dans des nuages de sable découverte
VHS 1256 b a des caractéristiques étranges à bien des égards. | Capture d'écran YouTube R23 KH.
C'est la toute première fois que les astronomes observent une exoplanète de ce genre. Grâce au télescope spatial James Webb qui nous régale d'images stupéfiantes depuis sa mise en service, les scientifiques ont pu analyser une drôle de planète extrasolaire appelée VHS 1256 b.
Particularité
Sa particularité ? Elle est complètement enveloppée dans des nuages riches en silicate et ressemblant à du sable.
Astre
Grande comme environ vingt fois, la taille de Jupiter, cet astre pas assez gros pour s'enflammer telle une étoile, et trop imposant pour être une planète ordinaire est à quelque 72 années-lumière de la Terre, dans la constellation Corbeau.
Astronomes
Les astronomes l'avaient déjà aperçu en 2016, mais, avec les moyens du bord, ils n'avaient pu qu'entrevoir une mystérieuse lueur rougeâtre, bien loin des détails époustouflants que permet de capturer le télescope James Webb.
Étranges
VHS 1256 b a des caractéristiques étranges à bien des égards. Outre cette majestueuse enveloppe de grains de silicate semblables à du sable, l'atmosphère de l'exoplanète contient également du méthane, du dioxyde de carbone, du sodium et du potassium, ajoute space.com. Mieux encore, le télescope y a détecté de l'eau.
Atmosphère
Cependant, cette riche atmosphère ne serait pas d'une stabilité sans faille : elle serait en perpétuel changement brutal et sauvage, ajoute le média scientifique.
Le télescope James Webb a dévoilé des images de l’impressionnante nébuleuse de la tarentule.
Découverte
Cette découverte intervient tout juste après une autre observation fascinante : celle d'une « tarentule » cosmique, capturée, là encore, par James Web. Voilà un télescope qui ne chôme pas !
Image
L'image a été partagée le 6 septembre par la NASA, et montre des milliers de jeunes étoiles jamais observées auparavant, au milieu de nébuleuses couleur rouille et de longs filaments poussiéreux d'où son surnom de tarentule, en son centre, une imposante zone noire aspire le regard.
Première détection de CO2 dans l'atmosphère d'une exoplanète
Une vue d'artiste de l'exoplanète WASP-39b.
Le James Webb n’en finit plus de nous ébahir. Depuis l’annonce de ses tous premiers résultats de somptueux clichés de l'Univers proche ou lointain en juillet 2022, le télescope spatial lancé par la NASA, en collaboration avec l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Agence spatiale canadienne (ASC), a largement prouvé qu’il était en mesure de tenir toutes ses promesses, et même au-delà.
Publication
Trois jours à peine après la publication d’une époustouflante image de Jupiter et de ses aurores, le 22 août 2022, de nouveaux résultats majeurs obtenus grâce à l’engin ont été annoncés dans la soirée de jeudi.
Détecté
Pour la toute première fois, du dioxyde de carbone (CO2) a été détecté sans équivoque dans l’atmosphère d’une planète située en dehors de notre système solaire.
Découverte
Une découverte qui conforte l'idée que de telles observations puissent être prochainement réalisée sur des planètes rocheuses, dans le but de déterminer si l'une d'elles abrite des conditions favorables à la vie. Et, qui sait, la vie peut-être elle-même.
Jérémy Leconte
"Nous nous attendions à trouver tôt ou tard du CO2 dans l’atmosphère d’une exoplanète, mais cette observation n’en reste pas moins capitale", affirme Jérémy Leconte, astrophysicien et planétologue au Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux), qui compte parmi la bonne centaine de signataires de ces travaux le 29 août 2022.
Raisons
"Elle nous donne de bonnes raisons de penser que le James Webb sera capable de détecter et de mesurer du dioxyde de carbone et d’autres molécules dans les atmosphères plus denses des petites planètes rocheuses."
Molécules
Les molécules de CO2 ont été détectées dans l’atmosphère de WASP-39b, une géante gazeuse chaude d’une masse proche de celle de Saturne, mais dont le diamètre est 50 % plus grand.
Grande
Si elle est si grande pour son poids, c’est parce que contrairement aux géantes gazeuses plus froides et plus compactes de notre système solaire, WASP-39b orbite très près de son étoile (à peine un huitième de la distance entre le Soleil et Mercure), portant sa température de surface à plus de 900 °C.
Caractéristiques
Par ailleurs, à peine, quatre jours, suffisent pour faire le tour de son étoile. Autant de caractéristiques qui font d’elle une exoplanète relativement "facile" à observer, avec la méthode des transits : son atmosphère est "gonflée" (peu dense, elle occupe un espace plus important autour de la planète.), et les transits devant son étoile sont fréquents.
Passage
Le passage d'une planète devant son étoile, une mine d'informations. Lors d'un transit, une partie de la lumière des étoiles est occultée par la planète et se retrouve diffusée à travers son atmosphère.
Filtre
Cette dernière filtre alors certaines couleurs plus que d'autres en fonction de facteurs tels que sa composition, son épaisseur et la présence ou non de nuages.
Chercheurs
Ainsi, les chercheurs peuvent analyser les petites différences de luminosité de la lumière transmise sur un spectre de longueurs d'onde pour déterminer exactement de quoi est faite une atmosphère.
Objets
WASP-39b fait partie des objets sélectionnés pour les Early Release Science (ERS) du James Webb, une phase s’étendant sur les six premiers mois de vie du télescope et dédiée à des programmes d’observation en mesure de déboucher sur des résultats quasi-immédiats.
Objectifs
"L’un des objectifs des ERS était d’observer une planète dans de nombreuses configurations différentes pour savoir si les instruments donnaient la même chose", explique Jérémy Leconte.
Astronomes
Aussi les astronomes ont-ils dû trouver une cible capable de produire un signal fort et de se plier à une observation dès le début de la vie du Webb.
Élue
"WASP-39b fut l’heureuse élue, mais on s’attendait pas à ce qu’elle ait quoi que ce soit de particulier."
Observation
"Avec une observation le 13 juillet dernier, nous avions les premiers résultats dès la semaine suivante, qui indiquaient la présence de CO2 comme le nez au milieu de la figure", se réjouit le chercheur.
Spectre
Dans le spectre résultant de l'atmosphère de l'exoplanète, les scientifiques ont en effet pu observer une petite montagne entre 4,1 et 4,6 microns, correspondant à la preuve irréfutable de la présence de dioxyde de carbone.
Observatoire
Jusqu'à présent, jamais aucun observatoire n'avait capturé un spectre de transmission d'exoplanète dans une gamme aussi détaillée de longueurs d'onde dans le proche infrarouge.
Précision
Pour comparaison, avec Hubble, il aurait fallu plusieurs transits et donc attendre bien plus longtemps pour obtenir un même degré de précision.
Communiqué
Dans le communiqué de la NASA, Zafar Rustamkulov, de l'Université Johns Hopkins, revient sur le moment où la présence de CO2 est apparue clairement : "C'était un moment spécial, le franchissement d'un cap dans la science des exoplanètes."
Le télescope James Webb NASA/Chris Gunn/Cover Images/SIPA.
Détection
Mais en quoi la détection de CO2 sur une planète extérieure à notre système solaire est-elle une avancée importante ?
Molécule
"Le CO2 est par exemple une molécule très intéressante lorsqu'il s'agit de déduire le climat d'une planète plus petite", détaille Jérémy Leconte. "La différence entre Vénus, mars et la Terre, c’est notamment la quantité de CO2 dans leur atmosphère".
Connaissances
Alors que nos connaissances sur les planètes du système solaire sont aujourd'hui de plus en plus précises, elles devraient prendre une nouvelle dimension avec cette explosion d'informations à venir sur les exoplanètes.
Observer
"On va pouvoir observer des dizaines et centaines de planètes autour de différents types d’étoiles, et faire de la statistique pour tenter de comprendre ce qui a pu se passer dans notre système solaire".
Pourquoi
Pourquoi y a-t-il tant de petites planètes rocheuses et tant de grandes gazeuses, alors qu’ailleurs, on ne retrouve pas toutes les mêmes configurations ?
Théories
Il existe des théories selon lesquelles sans nos planètes géantes, comme Jupiter ou Saturne, nos rocheuses n'auraient pu être ce qu'elles sont aujourd'hui..."
Travaux
Si pour l'instant, les travaux sur WASP-39b réalisés au cours de l'été se sont focalisés sur le dioxyde de carbone, des indices de la présence d’autres molécules cruciales auraient également été obtenus, selon les confidences de Jérémy Leconte.
Résultats
"Ces résultats restent à confirmer, mais ils nous rendent déjà très enthousiastes."
Date de dernière mise à jour : 07/10/2023
