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Le prix Nobel de physique 2011

(pour la découverte de l’expansion accélérée de l’Univers)

Le prix Nobel de physique 2011 a été décerné le mardi 4 octobre 2011 aux Américains Saul Perlmutter et Adam Riess ainsi qu’à l’australo-américain Brian Schmidt « pour la découverte de l’expansion accélérée de l’Univers » qu’ils ont déduite de l’observation de « plusieurs dizaines d’explosions d’étoiles, appelées supernovas ».

Jean Pestieau [1], 4 octobre 2011 (revu le 6)

En 1998, ces trois astrophysiciens ont fait sensation en annonçant que l’expansion de l’Univers, proposée par le Belge Georges Lemaître en 1927, mise en évidence par Edwin Hubble en 1929, s’accélère sous l’influence d’une mystérieuse « énergie noire », ou « énergie du vide », qui représenterait près des trois quarts de l’énergie-masse [2] de l’Univers.

Que notre conception du monde a changé au cours des siècles !

« Il y a presque un siècle que l’on sait que l’Univers est en expansion depuis le Big Bang il y a 14 milliards d’années. Cependant la découverte que cette expansion s’accélère est surprenante », souligne le comité Nobel dans un communiqué [4].

Les supernovas sont des étoiles très massives arrivées en fin de vie. Ayant consommé une bonne partie de leur carburant nucléaire, elles s’effondrent brutalement sur elles-mêmes et explosent. Ces événements cosmiques sont particulièrement violents et spectaculaires.

C’est en observant des supernovas particulières, dites de type Ia, que les lauréats et leurs équipes ont fait leur découverte. Considérées comme des « chandelles standard » ou des « bougies de référence », ces explosions d’étoiles dont on connaît bien la luminosité servent à mesurer les distances dans l’univers.

Le Supernova Cosmology Project à l’université de Californie, sous la direction de Saul Perlmutter, et l’équipe du High-Z Supernova Search Team, dirigée par Adam Riess et Brian Schmidt, s’aperçoivent que ces objets lointains sont moins brillants que prévu par la théorie. Pourtant les énormes éclairs de lumière qu’ils captent pendant des semaines sont bien le fait d’explosions stellaires par ailleurs parfaitement référencées. Dès lors, une conclusion s’impose : l’apparente faiblesse de la lumière émise s’explique par le fait que les galaxies-hôtes de ces supernovas sont plus éloignées qu’on ne le pense. Donc que l’expansion de l’Univers était moins rapide dans le passé. Et que, par conséquent, loin de ralentir avec le temps, le phénomène ne fait au contraire qu’accélérer sous l’effet de ce qui est appelé « énergie noire ».

Il faut noter qu’on ne sait toujours pas aujourd’hui ce qu’est l’énergie noire (constante cosmologique). En même temps, la théorie de la gravitation d’Einstein — d’où découlent les équations de Friedmann —, qui préside à l’expansion de l’Univers, n’a jamais été mise en défaut par les observations astrophysiques. Dans les termes du communiqué du Comité Nobel, « l’accélération est conçue comme due à l’énergie noire, mais ce qu’est l’énergie noire reste une énigme. Peut-être la plus grande de la physique d’aujourd’hui. Ce qui est connu, c’est que l’énergie noire constitue environ les trois quarts de l’Univers. Ainsi les découvertes des lauréats du prix Nobel de physique 2011 ont contribué à dévoiler un univers qui dans une large mesure est inconnu à la science. »

« Energie noire » et « matière noire » [5]

Dark matter distribution simulation
(image [6] empruntée à la page The Millennium Simulation Project
du site du Max Planck Institut für Astrophysik)
Dark matter distribution simulation

[1] Jean Pestieau est professeur émérite de l’Université catholique de Louvain (UCL). Il a suivi en 1964 le cours de relativité générale et de cosmologie donné par Georges Lemaître à l’UCL.

[2] Il y a équivalence entre masse (m) et énergie (E), à travers la formule d’Einstein E = mc² où c est la vitesse de la lumière.

[3] Alexander Friedmann, mathématicien soviétique. Ses équations (1922) gouvernent l’expansion de l’univers dans des modèles homogènes et isotropiques issus de la relativité générale d’Einstein (1915). Lemaître a apporté en 1927 l’interprétation physique (décalage infrarouge) des équations de Friedmann. En 1931, Lemaître propose ce qui s’est appelé par la suite la théorie du Big Bang.

[4] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/press.html

[5] Voir l’épilogue de Le roman du Big Bang de Simon Singh, édité par JC Lattès, 2005 ; http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-15165371.

[6] Ceux qui sont troublés par l’unité Mpc/h dans l’image (où h ne veut pas dire heure comme dans km/h) peuvent aller lire (en anglais) http://en.wikipedia.org/wiki/Parsec.

[7] Il y a des milliers de milliards de galaxies dans l’Univers visible.

[8] C’est-à-dire à un niveau supérieur à celui des galaxies.

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