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Avril 2007

"Il ne faut pas confondre la matière noire et l'anti-matière"

Matière noire, énergie sombre, trous noirs ou encore univers chiffonné... La cosmologie est un domaine où règnent des concepts bien mystérieux. Jean-Pierre Luminet, astrophysicien de renommée internationale, est venu en chat expliquer ces notions.

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"L'Univers est composé aujourd'hui de 99% de matière et énergie noire"

La matière noire, c'est quoi ?
Jean-Pierre Luminet : On sait que l'Univers est composé aujourd'hui de 99% de matière et énergie noire. La matière noire est soit de la matière atomique ordinaire, sous forme d'étoiles sombres, trous noirs, planètes, etc. : 4% seulement; de matière non atomique, comme les neutrinos et autres particules vraisemblablement produites dans le Big Bang : 24%
Reste environ 72% d'énergie sombre, qui n'est pas de la matière au sens habituel, mais un champ d'énergie pure (peut-être l'énergie du vide). Contrairement a la matière noire, l'énergie sombre est anti-gravitante; elle a donc tendance à accélérer l'expansion de l'Univers. C'est justement ce qui est observé.

Y a-t-il des galaxies noires, des étoiles noires ?
Il y a bien entendu des étoiles noires, soit parce qu'elles sont éteintes (naines blanches, étoiles a neutrons, trous noirs), soit de trop petite masse pour allumer des réactions nucléaires et briller. Des galaxies noires ? Possible mais peu probable ; ce seraient plutôt de gigantesques nuages noirs d'hydrogène froid.

Quels sont les indices qui laissent penser que la matière noire existe ? Et qu'elle n'existe pas ?
On détecte la matière noire de plusieurs façons ; par exemple par son effet gravitationnel. Ainsi, le trou noir massif (3 millions de masses solaires) au centre de notre Galaxie se "voit" en analysant les étoiles qui tournent à grande vitesse autour de lui - s'il n'y avait pas de trou noir, elles ne tourneraient pas aussi vite. Même chose pour les étoiles dans les bras des galaxies spirales, qui orbitent plus vite que la normale, ou des vitesses élevées des galaxies elles-mêmes dans les amas.
Quant à l'énergie noire, on pense l'avoir détectée (ce n'est pas une certitude absolue) en ayant mesuré l'accélération du taux d'expansion cosmique (observation de supernovae lointaines, etc.). Seule une forme d'énergie répulsive peut provoquer cette accélération, d'où l'hypothèse de cette énergie noire dominante, même si on ne comprend pas encore tout à fait sa nature.

"Selon des théories récentes, il deviendrait possible de créer des micro trous noirs dans les prochaines années"

Comment expliquer en 3 phrases à mon fils de 14 ans en quoi la "topologie de l'Univers" est importante ?
La topologie de l'Univers peut nous dire si l'espace est fini ou infini. S'il est infini, il y a un nombre infini de galaxies et nous ne pourrons jamais en voir qu'une partie infinitésimale. S'il est fini (sans limite quand même), alors on pourrait connaître la taille exacte de l'espace, le nombre de galaxies qu'il contient, et bien d'autres questions qui ont des implications philosophiques (probabilité que d'autres mondes habités existent, etc.).

Comment un objet peut être fini et sans bord à la fois (univers chiffonné) ?
C'est une chose difficile à visualiser mais facile à comprendre (j'espère). Par exemple dans certains jeux vidéo, dès qu'un personnage sort de l'écran, il rentre du côté opposé. L'écran se comporte comme un espace fini mais sans bord (puisque rien ne peut vraiment sortir). A trois dimensions c'est pareil mais plus compliqué. On pourrait partir en fusée droit devant et, au bout de milliards d'années-lumière, revenir à son point de départ sans jamais avoir fait demi-tour. L'espace serait alors fini et sans bord. Il pourrait même avoir une forme (topologie) très compliquée, j'ai appelé cela les univers chiffonnés.

A-t-on déjà détecté de manière directe un trou noir ?
Il est impossible de détecter directement un trou noir, mais on est quasiment certain qu'ils existent car on observe le rayonnement de la matière qui tombe dedans. Par exemple du gaz dans les systèmes binaires, ou même des étoiles entières dans le cas de trous noirs géants qui existent au centre des galaxies.

Au sein du trou noir, on ne peut rien dire car l'information "disparaît" : est-ce que la science s'arrête vraiment là ?
Seules les équations de la relativité générale nous permettent d'imaginer ce qui se passe au fond des trous noirs. Il y a deux possibilités ; si le trou noir ne tourne pas, il est bouché par une singularité, auquel cas la matière qui tombe reste écrasée dans la singularité. Si le trou noir tourne (cas plus naturel), le fond n'est peut-être pas bouché mais connecté à une autre région de l'Univers par un "trou de ver". Cette hypothèse a été exploitée par la science-fiction (Stargate, etc.) pour rendre possible les voyages intergalactiques !

Pourrons-nous un jour créer un trou noir, même minuscule, en laboratoire ?
Dans l'état actuel des choses, non : les énergies nécessaires pour créer un micro trou noir dans un accélérateur de particules sont hors de portée. Mais selon des théories récentes (très spéculatives) selon lesquelles l'espace aurait plus de trois dimensions, alors il deviendrait possible de créer des micro trous noirs dans les prochaines années. (Il n'y aurait aucun risque !)

J'ai entendu parler de trous noirs qui rejailliraient sur des fontaines blanches, qu'est ce que ça signifie ?
Dans l'hypothèse où les trous de ver existeraient (par exemple au fond de trous noirs en rotation), la matière et l'énergie pourraient transiter par le trou de ver et ressortir ailleurs dans l'espace-temps (voire dans un "autre" univers !) sous forme de jaillissement d'énergie appelé "fontaine blanche". Mais rien de tel n'a encore été observé.

Que pensez-vous de la théorie des cordes : vous la soutenez ?
La théorie des cordes est une tentative pour unifier en une seule théorie la relativité générale et la physique quantique. Elle implique en particulier que l'espace a plus de trois dimensions, que les particules sont des bouts d'espace vibrants, etc. Le problème est que elle dépend de tellement de paramètres libres qu'il y a des milliards de modèles possibles, et il n'y a aucune façon de les tester.
Personnellement je préfère une autre approche moins connue mais plus profonde : la gravité quantique à boucle, qui considère qu'il y a des "atomes" d'espace et des "atomes" de temps - sans avoir besoin de dimensions supplémentaires.


"Même si la matière noire domine dans l'Univers, il n'y en a pratiquement pas dans notre système solaire"

Qu'est-ce que le fameux rayonnement fossile de l'Univers ? Que nous apprend-il ?
Le rayonnement fossile est le vestige de la première lumière émise par l'Univers lorsqu'il est devenu pour la première fois transparent, 400 000 ans après le Big Bang. Aujourd'hui, 14 milliards d'années après, nous baignons dans ce rayonnement refroidi (température moyenne -270°C), et son analyse détaillée nous permet de fixer les paramètres qui gouvernent le destin de l'univers : son âge, sa composition (énergie noire, etc.), son destin, sa taille.

Est-ce qu'il existe une alternative sérieuse à la théorie du Big Bang ?
Certains scientifiques sont opposés à la théorie du Big Bang (ce qui est une bonne chose pour faire avancer nos connaissances), mais jusqu'à présent personne n'a réussi à proposer une alternative sérieuse, c'est-à-dire à la fois fondée théoriquement, et capable d'expliquer l'ensemble des observations actuelles.
A noter cependant que les théories nouvelles de gravité quantique supposent l'existence d'un Univers "avant" le Big Bang, ce qui signifie que le Big Bang ne serait pas le début de toute chose (espace, temps, matière) mais une phase de transition.

Peut-on envisager une sonde qui ramènerait un gros paquet de matière noire sur Terre ?
Non, même si la matière noire domine dans l'Univers, il n'y en a pratiquement pas dans notre système solaire.

Vous avez travaillé sur la gravitation relativiste je crois : où en est-on des recherches : trouvera t-on un jour un "graviton" ?
Le graviton est la particule supposée véhiculer l'interaction gravitationnelle (tout comme le photon véhicule l'électromagnétisme). Mais la gravité est si faible par rapport aux autres interactions que le graviton ne peut être mis en évidence directement. En revanche, son onde associée, l'onde gravitationnelle, est aujourd'hui détectée.

Matière noire et antimatière, c'est la même chose ?
Il ne faut pas du tout confondre la matière noire et l'anti-matière. De toute façon, on sait qu'il n'y a en moyenne qu'une particule d'antimatière pour un milliard de particules de matière. Donc l'antimatière ne joue aucun rôle dans l'Univers d'aujourd'hui, alors que la matière noire est prépondérante.

Qu'est-ce que ça vous a fait d'apprendre qu'on donnait votre nom à un astéroïde ?
Plaisir bien sûr, car c'est un hommage que les découvreurs d'astéroïdes font à certains de leurs collègues dont ils apprécient les travaux.

Pourrait-on fabriquer cette matière noire si on sait de quoi elle est faite ?
Même si on sait produire des neutrinos (forme de matière noire), on n'a aucune idée sur la façon de fabriquer au labo des morceaux entiers de matière noire. Ceci dit, d'une certaine façon, il suffit de prendre un caillou. C'est de la matière noire, car si vous le mettez dans l'espace à un million de kilomètres, vous ne le verrez pas !

Que pensez vous des fluctuations de densité dans l'univers et notamment du vide de Bootes ?
Si l'Univers est homogène à grande échelle (densité moyenne uniforme dans l'espace), ce n'est plus vrai aux petites échelles, allant du système solaire jusqu'aux... superamas de galaxies. Ainsi, les grands "vides" comme celui de Bootes sont le produit naturel de la structuration de l'Univers en galaxies, amas et superamas de galaxies, sous l'effet de la gravitation - tout cela à partir d'un Univers initialement très homogène, comme le montre le rayonnement fossile.

Sur quel sujet travaillez-vous en ce moment ?
Je travaille d'une part à améliorer les modèles d'univers chiffonnés (notamment l'espace dodécaédrique que j'ai proposé en 2003 pour expliquer les observations détaillées du rayonnement fossile), d'autre part sur les "crêpes stellaires", c'est-à-dire la façon dont des étoiles peuvent être brisées par les forces de marée de trous noirs géants. Ce sont des simulations numériques compliquées avec ondes de choc, explosions, etc. Et aussi une bonne partie de mon temps passe à écrire des livres et à donner des conférences un peu partout dans le monde...

Vous dites que la matière noire est faite principalement de neutrinos. Or les neutrinos ne réagissent avec rien. Donc, comment détecter leur présence, et mieux, comment détecter la présence de matière noire ?
La matière noire dite "non baryonique" (c'est-à-dire non constituée de protons et de neutrons comme la matière atomique) n'est qu'en partie constituée de neutrinos, mais plus généralement de particules n'interagissant que très faiblement avec la matière ordinaire (on les appelle des WIMPs). C'est donc un défi que de les détecter directement au laboratoire (car nos instruments sont faits de matière ordinaire !). On détecte cependant déjà les neutrinos (émis par le soleil, les supernovae, etc.). Il y a actuellement des expériences très importantes pour tenter de détecter directement d'autres WIMPs, pour l'instant sans résultat. Donc en fait l'existence des WIMPs, en dehors des neutrinos, repose surtout sur des interprétations théoriques des observations... C'est un peu compliqué.

Pouvez vous expliquer le concept d'univers chiffonné que vous avez inventé ?
Le concept d'univers chiffonné repose sur la possibilité que l'espace ait une topologie (forme globale) compliquée, de telle sorte qu'il y aurait plusieurs trajets possibles pour les rayons lumineux entre eux points donnés. On aurait donc l'illusion de vivre dans un espace plus grand que ce qu'il n'est en réalité, parce que nous verrions des images multiples des mêmes sources.

Qui est pour vous le plus grand astrophysicien actuel ? Et passé ?
On ne peut pas "classer" comme cela les grands et les petits. En tout cas pour le présent je ne dirais pas Stephen Hawking comme tous les medias le disent.
Pour le passé, j'ai un faible pour Kepler et, au XXe siècle, le méconnu Georges Lemaître, le vrai inventeur de la théorie du Big Bang.


Combien d'étoiles pouvons nous compter ?
A l'œil nu on voit au maximum 6000 étoiles (dans les deux hémisphères). Les télescopes en recensent quelques dizaines de millions, pour la plupart dans notre seule galaxie. Pourtant la galaxie contient probablement 200 milliards d'étoiles, et il y a 100 milliards de galaxies dans l'Univers.... Donc, on en compte très très peu, même si on sait qu'elles sont là...

Peut-on révolutionner la physique moderne y compris les théories d'Einstein ?
C'est le but des physiciens théoriciens que de révolutionner nos connaissances. On sait qu'aucune théorie n'est définitive, donc un jour on remplacera la théorie d'Einstein par une autre meilleure (dont la relativité générale sera une approximation, de même que la théorie de Newton est une approximation de celle d'Einstein). En fait, les théories de gravité quantique dont j'ai parlé tentent d'améliorer les théories d'Einstein en les mariant avec la physique de l'infiniment petit.

L'Univers est en expansion, donc il s'inscrit dans un espace donné ; ainsi donc il y aurait-il quelque chose au-delà de l'Univers ?
Pensez vous qu'il puisse exister des univers parallèles ?

Il ne faut pas imaginer l'Univers en expansion comme un ballon qui gonfle dans un espace englobant. L'Univers par définition contient tous les points de l'espace. Il se dilate donc "en soi", de l'intérieur nécessairement (puisqu'il n'a pas d'extérieur).
Dans certaines théories on imagine l'existence d'autres univers (parallèles ou autres), mais en aucun cas ce sont des espaces qui engloberaient le nôtre.


Pouvez-vous nous simplifier un peu le sens de la célèbre formule d'Einstein E=mc2 ?
Dans E=mc2, E est l'énergie, m la masse et c la vitesse de la lumière. Cela signifie que toute masse m peut être transformée en énergie E. C'est exactement ce que fait le Soleil pour briller : chaque seconde, il transforme quatre cents milliards de tonnes de matière (hydrogène) en énergie (lumière et neutrinos). C'est aussi malheureusement avec cette formule qu'on a inventé les bombes atomiques.

Vous êtes plutôt positiviste ou platonicien ?
Il n'y a pas d'opposition de principe entre le positivisme et les platoniciens... Si vous en voyez une, alors considérez-moi plutôt comme platonicien.

Vous aimez l'art et c'est tant mieux. Comment se fait-il qu'il y ait plus de scientifiques qui aiment l'art que d'artistes qui aiment la science ?
Je connais en fait beaucoup d'artistes qui sont passionnés par la science, et qui s'en inspirent dans leurs œuvres : des musiciens, des peintres, des sculpteurs, des poètes. C'est une très belle "nouvelle alliance" qui remet au goût du jour un certain humanisme, que les clivages culturels et les médias de la société moderne ont tendance à oublier.

Jean-Pierre Luminet : J'ai eu du plaisir à répondre à vos questions, qui étaient toutes très pertinentes et montraient une bonne culture scientifique.

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