A la Rencontre de l’Incroyable !
L’Homme à la Découverte de l’Univers
mercredi 5 décembre 2007

par Yéyé


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La science de l’astrophysique est certainement une bonne illustration de l’adage "plus on en sait, moins on en sait". Les dernières découvertes, proprement stupéfiantes, dépassent presque l’entendement humain et n’ont même jamais été imaginées par les auteurs les plus créatifs de la science fiction. Une fois encore le réel dépasse largement la fiction.

En 1933, Fritz Zwicky un ami d’Einstein, a calculé que la masse de l’univers, pour qu’il tienne en place, devait être environ 5 fois plus importante que la masse visible des étoiles et autres planètes. Sa découverte suscita assez peu de commentaires et il est possible qu’il ne la prit lui-même pas très au sérieux.

Comme il manquait une masse très importante, mais qui n’était pas visible (quelque soit la lumière employée comme on s’en est aperçu plus tard), il la nomma un peu par dérision, « matière noire », « dark matter ». Cette dark matter devait ainsi représenter 80% de la matière totale de l’univers. C’était une matière invisible ; donc presque chimérique !

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Constellation d’Andromède

En 1975, Mme Vera Rubin, astronome, mariée et mère de quatre enfants avait beaucoup à faire avec sa progéniture et trop peu de temps pour son travail. Ne désirant toutefois pas se consacrer uniquement à des tâches éducatives et ménagères, elle décida donc d’étudier un aspect de l’univers qui n’intéressait pas grand monde à l’époque ; la périphérie, la banlieue des galaxies. Et, comme elle n’avait pas, de surcroît, un très gros budget, elle choisit la galaxie la plus proche de la Voie Lactée, c’est-à-dire Andromède. Avec si peu de temps et de moyens, elle ne se doutait certainement pas qu’elle découvrirait un phénomène presque incroyable.

Selon la loi de la gravitation d’Isaac Newton, la gravité est constante. Ainsi, plus une planète est proche du Soleil par exemple, plus elle sera attirée vers lui. Plus elle est éloignée, moins elle sera attirée vers lui. Bien entendu, la masse de la planète considérée entre aussi en jeu dans cette question. Plus la planète est importante, plus elle sera attirée par l’étoile et vice et versa.

Dans notre exemple, pour compenser cette gravité qui attire vers le Soleil, il faut une autre force qui repousse. C’est la force centrifuge. C’est pour cela que les planètes tournent autour du Soleil de façon à générer cette force centrifuge qui va équilibrer la gravité jusqu’à l’annuler. Ainsi, naît un équilibre fonction de la masse de l’objet en mouvement. Le système solaire est donc une manifestation de cet équilibre.

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Vitesse de rotation des étoiles autour d’Andromède
Ligne pointillée : vitesse théorique, ligne pleine : vitesse constatée.

Si l’on prend la Terre en exemple, on constate qu’elle tourne assez vite autour du Soleil de façon à compenser son attraction et à rester en équilibre avec lui. Si la vitesse de rotation de la terre augmentait, nous serions éjectés vers les confins du système solaire, comme sur un manège qui irait trop vite pour que l’on puisse s’y maintenir. Si la vitesse de rotation de la Terre diminuait, nous serions absorbés par le Soleil et proprement grillés.

Pluton, très éloignée du Soleil, a bien moins besoin de compenser la gravité de ce dernier et tourne donc bien moins vite autour de lui.

La loi de la gravitation de Newton est universelle. Il s’agit d’une loi fondamentale de la science qui régit tout ce que nous connaissons. Cette loi s’applique donc aussi bien au système solaire, qu’aux galaxies, amas ou superamas décrits plus haut.

Or Vera Rubin constata qu’en banlieue d’Andromède, les étoiles tournaient à la même vitesse qu’au centre de cette galaxie ! Ses calculs étaient simples et limpides. Il n’y avait pas d’erreur.

Pour expliquer ce fait, il fallait donc qu’il y ait un apport de matière, de la masse supplémentaire, mais invisible. C’est à ce moment que l’on repensa à la dark matter !

Cette matière chimérique devint très sérieuse et on se mit à la chercher partout, puisqu’elle seule pouvait expliquer la découverte de Vera Rubin !

La seule hypothèse que l’on trouva était que cette matière, pour être invisible, devait être non atomique. Tout ce que nous connaissons aujourd’hui est atomique. Une main, un ordinateur, un caillou, une fleur, un chat, un gaz, l’air que nous respirons, la matière et l’anti-matière, la lumière visible ou non, une bombe atomique ou conventionnelle, les étoiles et les planètes. Une matière non atomique est donc une révolution incroyable ! Nous vivons entouré de quelque chose d’invisible et qui n’est pas constitué de l’élément de base commun à tout !

Même si c’était difficile à accepter, une grande partie de la communauté scientifique adopta la dark matter invisible et non atomique. Depuis plus de 25 ans, les meilleures équipes de chercheurs du monde sont à la poursuite de la matière noire invisible.

L’attention des physiciens se porte actuellement sur le neutralino comme candidat à l’explication de la dark matter, une particule théorique non encore observée en laboratoire. Postulé par les théoriciens dans le cadre de modèles dits supersymétriques (le modèle symétrique étant constitué de la matière et de l’anti-matière) qui ont pour but d’unifier les interactions fondamentales régnant entre les particules élémentaires, le neutralino est présumé être stable, électriquement neutre et au moins 60 fois plus lourd que le proton. On croit qu’il ne devrait interagir que très rarement avec ses semblables et avec les autres types de particules.

Produits en abondance pendant les premiers instants du Big Bang, les neutralinos auraient été concentrés par la force gravitationnelle en grands halos, donnant ainsi lieu à l’agglomération de la matière « ordinaire » et à la formation de galaxies. Ils seraient aussi présents dans le voisinage de notre Voie Lactée ; le temps de lire ces quelques lignes et on estime qu’environ 100 millions de neutralinos, s’ils existent, auront traversé votre corps sans interagir ou presque et surtout en ne créant aucun dommage ! En 2007, il semble que des chercheurs aient repéré un grand champ de neutralino dans l’espace. Je n’en sais pas plus pour le moment.

Au début des années 90, une nouvelle découverte vint compliquer encore un peu plus les choses. Avec la théorie du Big Bang, on pouvait supposer que l’expansion de l’univers serait temporaire. En effet, lors d’une explosion, les éléments sont projetés vers l’extérieur, mais ralentissent au fur et à mesure du temps ou au mieux garde une vitesse constante si l’explosion s’est produite dans le vide.

On chercha donc à savoir si les galaxies continuaient à s’éloigner l’une de l’autre ou bien si elles avaient atteint un point d’équilibre, ou encore si elles se rapprochaient l’une de l’autre. En effet, on pouvait supposer qu’après avoir été expulsée par le Big Bang, la matière allait décélérer sa course, se stabiliser puis se contracter de nouveau vers le centre sous l’effet de la gravité. Ce serait alors l’effondrement final de l’univers, le Big Crunch, et le retour à la case départ.

Or on constata avec certitude que les galaxies, si elles continuaient bien à s’éloigner les unes des l’autres, ne décéléraient pas du tout, mais, au contraire, accéléraient ! L’expansion de l’univers allait donc en s’accélérant ! Ce résultat stupéfiant n’avait pas été envisagé car il est parfaitement impossible avec les lois connues de la physique.

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Fond cosmologique vu par le WMAP

Lorsque l’on lance un objet, soit sa vitesse décroît au bout d’un moment car il est freiné, ou bien sa vitesse reste constante s’il a été lancé dans le vide sidéral par exemple. Mais en aucun cas, il ne va en accélérant ! Si l’objet accélère tout de même, c’est qu’il reçoit une énergie nouvelle qui le propulse encore plus vite.

C’était la seule explication ! Il y avait bien un apport d’énergie supplémentaire qui engendrait cette accélération. L&, dark energy, était née !

Pour vous représenter la chose, imaginez un ballon gonflable en caoutchouc. Les galaxies et les étoiles sont dessinées sur l’enveloppe du ballon. Si vous soufflez dans le ballon, celui-ci devient plus gros. L’espace qui s’étend entre les galaxies devient plus grand. Les galaxies s’éloignent bien les unes des autres. Pour accélérer le mouvement, il faut souffler plus fort, ce qui requiert une énergie supplémentaire.

De savants calculs montrèrent alors que l’univers était composé de 4% seulement de matière visible (les étoiles, planètes, galaxies, nébuleuses, constellations et autres...), 21% de dark matter et 75% de dark energy. 96% des parties constituantes de l’univers sont parfaitement invisibles !

Ainsi, après avoir été rejeté du Centre du Grand Tout vers des banlieues cosmiques anonymes, après avoir constaté que nous n’étions qu’un des produits, parmi des milliards d’autres, d’une longue évolution, après nous être découvert quasi aveugle malgré nos deux yeux, après avoir constaté notre infinie petitesse dans la farandole des galaxies et notre existence ridiculement courte dans le temps cosmique, nous devons maintenant nous faire à l’idée, inouïe, que tout ce qui nous est familier, incluant notre propre corps, n’est pas fait de la même étoffe que l’essentiel de l’univers !

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Comparaison du même fond cosmologique vu par Penzias et Wilson, Cobe et WMAP.

Le modèle 4-21-75 fut baptisé « modèle standard ». Des calculateurs informatiques hyper puissants furent mobilisés pour faire tourner des hypothèses différentes. Les galaxies actuelles ont ainsi pu être recrées sur ordinateur à partir des hypothèses du modèle standard ! La Voie Lactée est apparue, de sa naissance à son état actuel, sous les yeux des scientifiques et principalement de l’équipe de Carlos Fenck, et elle sortait bien d’un ordinateur !

Mieux, en 2003, un satellite fut lancé par l’équipe de David Spergel : il fut baptisé WMAP. Il s’agissait ni plus ni moins que d’aller voir ce qui c’était passé juste après le Big Bang et d’obtenir des images de l’univers immédiatement après cet événement créateur, c’est-à-dire d’améliorer l’image obtenue en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson.

WMAP commença par corriger l’âge de l’univers à 13,7 milliards d’années, avec une marge d’erreur de 200 millions d’années. Puis, WMAP nous envoya un « fond cosmologique » de l’univers qui ne pouvait fonctionner qu’avec 4% de matière visible, 21% de dark matter et 75% de dark energy ! L’image confirmait le modèle théorique !

On notera que le fond diffus cosmologique est l’image la plus ancienne que l’on puisse obtenir. Ce fond s’est formé 300.000 ans après le Big Bang juste au moment où la lumière est apparue dans l’univers. Comme il n’y avait pas de lumière dans l’univers en 299.999 après le Big Bang, il ne peut exister d’image disponible.

L’illustration ci-dessus décrit la même image, le même et unique fond cosmologique, en 1965 au moment de sa découverte, en 1992 avec le satellite Cobe et en 2003 avec le satellite WMAP. La progression du niveau de détails entre Cobe et WMAP est impressionnante.

Tout cela marche donc incroyablement bien ! Le seul petit problème est que l’on n’a jamais observé la dark matter, pas plus que la dark energy, et que ces deux constituants que personne n’a jamais vu sont censés représentés la quasi-totalité de l’univers ! Neutralino reste une hypothèse tant qu’une preuve formelle de son existence n’aura pas été apportée.

Quelques scientifiques restent très sceptiques (Milgrom par exemple) et se demandent s’il n’y aurait pas une autre explication. Cette autre explication serait que la gravité n’est ni constante, ni universelle et que la loi d’Isaac Newton est fausse. C’est la théorie de la gravité variable qui remet en cause les lois de la physique en place depuis 1680. Cependant plus les recherches avancent sur le neutralino, plus la position des tenants d’une révision de la loi de Newton s’affaiblit et se fragilise.

Sommes-nous seuls ?

Il reste toutefois à l’Homme une façon de réconforter son ego après toutes ces déconvenues désagréables sur son statut particulier. En effet, personne n’a aujourd’hui prouver que l’Homme n’est pas seul dans l’univers. Aucune trace de vie extraterrestre n’a jamais été détectée, E.T. n’est apparu que dans un film de Steven Spielberg et les monolithes noirs ne sont visibles que dans 2001, Space Odyssey de Stanley Kubrick. Notre splendide solitude semble bien être le dernier bastion de notre orgueil.

Mais pour combien de temps encore ?

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Pioneer 10
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Plaque apposée sur Pioneer 10.

Il ne se trouve plus beaucoup de scientifiques pour refuser de croire à la vie extraterrestre. Un simple calcul de probabilité montre en effet que dans l’immensité de l’univers, il doit bien se trouver au minimum une autre planète ayant développé la vie. Sans s’éloigner beaucoup, nous avons dernièrement trouvé de l’eau sur Mars. Or l’eau est le constituant primordial de la vie telle que nous la connaissons.

Mais par où faut-il chercher cette vie extraterrestre ? Nos méthodes s’affinent assez rapidement, mais restent parcellaires.

Une des premières tentatives scientifiques fut d’imaginer un message décrivant un homme et une femme nus, des éléments distinctifs du système solaire et des renseignements sur l’hydrogène, atome de matière visible le plus abondant de notre galaxie et de l’univers. Une plaque fut ainsi apposée sur Pioneer 10, sonde lancée en 1972 et qui a été le premier objet humain à quitter le système solaire il y a quelques années seulement. Cependant la probabilité que Pioneer 10 rencontre des extraterrestres est quasi nulle. En comparaison, il y a plus de chance pour un individu de gagner le gros lot d’Euromillions à tous les tirages pendant toute son existence.

Un moyen bien plus efficace est le signal radio. Celui-ci voyage à la vitesse de la lumière et ne mettra, par exemple, que quatre ans pour atteindre l’étoile la plus proche de nous, contre quarante mille ans pour une sonde.

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Le message Arecibo

Ainsi en 1974, le radiotélescope d& à Porto Rico a envoyé un signal en direction de l’amas M13, un ensemble dense de trois cent mille étoiles. L’idée était bien entendu de concentrer le signal sur une zone fortement pourvue en astres dans l’espoir de rencontrer le plus grand nombre possible d’auditeurs locaux. Cependant M13 n’est pas vraiment très proche et il faudra vingt quatre mille ans au signal pour y arriver. A supposer que le signal rencontre bien une vie intelligente et à un stade d’évolution comparable au nôtre, il faudra vingt quatre mille ans supplémentaires pour avoir une réponse.

De façon plus efficace, ou moins inefficace, la NASA a lancé en 1992 un programme d’écoute des signaux radio voyageant dans l’espace. Ce programme se nomme Search for Extra Terrestrial Intelligence (SETI) et c’est à ce jour la plus grande entreprise d’écoute de signaux célestes au monde avec de nombreuses stations de réception. Il est assez facile de déterminer l’origine naturelle ou non d’un signal. Pour le moment, aucun signal non naturel n’a été détecté à l’exception d’un message malheureusement trop court pour que son origine extraterrestre puisse être prouvée. Ce message de 72 secondes parait assez étrange. Le chercheur qui l’a remarqué a simplement griffonné « Wow ! » dans la marge du listing, et … est resté sur sa faim 72 secondes plus tard. Depuis, on recherche avidement un message Wow !

Au début des années 2000, un sénateur américain, jugeant que les fonds alloués au programme SETI étaient un gaspillage d’argent scandaleux pour un résultat nul, a fait supprimer son financement par la NASA. SETI n’est cependant pas mort car les scientifiques en charge du programme se sont transformés en commerciaux pour trouver des fonds privés, en commençant par un associé de Bill Gates chez Microsoft. On peut ainsi avoir la satisfaction de voir son nom attribué à tel ou tel objet du programme SETI pour la modique somme de 100.000 dollars US, mais il est aussi possible de participer à partir de 50 dollars US.

Il existe aussi un nombre non négligeable de chercheurs indépendants qui guettent le signal Wow ! Car l’équipement archi minimum pour écouter les signaux radios et les analyser n’est en fait pas si onéreux. Il est possible de monter une petite station d’écoute dans son jardin à partir de 3.000 euros.

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Capture d’écran du programme SETI

Mais une façon également pertinente de rechercher une vie extraterrestre consiste à localiser les planètes situées en dehors du système solaire puisque, a priori, des extraterrestres doivent bien avoir les pieds (ou équivalents) sur leur terre. On appelle ces astres les exoplanètes.

La première ne fut découverte qu’en 1995. Les exoplanètes sont invisibles puisqu’elles n’émettent pas de lumière contrairement à une étoile et qu’elles sont trop éloignées du système solaire. A ce jour la meilleure façon de les localiser est d’observer l’intensité du rayonnement d’un soleil quelconque et d’attendre une variation temporaire de cette intensité. En effet, une variation indique qu’un corps est passé devant l’étoile en la masquant en partie et en réduisant ainsi sa luminosité. On arrive par ce procédé à déterminer la taille de la planète, sa composition chimique, sa place par rapport à son étoile et bien d’autres renseignements encore.

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Le transit de la planète devant son étoile fait varier la luminosité de cette dernière

Les découvertes d’exoplanètes, de plus en plus fréquentes, ne sont même plus mentionnées dans la presse, contrairement à ce qui s’était passé pour la première en 1995, avec parfois des titres à la une. Nous en sommes aujourd’hui à environ 250 spécimens, la plupart gazeuses et de la taille de Jupiter au moins, c’est-à-dire très importante.

Cependant, en 2007, on a découvert une petite planète, située non loin de sa propre étoile. C’est l’astre le plus identique à notre planète bleue que l’on connaisse à ce jour. Elle s’appelle Gl 581 C.

La découverte a été réalisée avec le télescope de l’observatoire européen austral de La Silla, au Chili. Gl 581 C possèderait les conditions météorologiques pour accueillir la vie. C’est à ce jour la seule exoplanète à posséder une température proche de celle de la Terre entre 0 et 40° Celsius. Elle est cinq fois plus massive que la Terre et son diamètre est 1,5 fois supérieur, ce qui en fait sans aucun doute une planète rocheuse ou liquide. La présence d’eau est donc possible. Enfin, la gravité y est 1,6 fois plus importante que sur Terre.

Cette planète tourne autour d’une étoile (Gliese 581) d’un type spécifique appelé « naine rouge » à une distance 14 fois moins importante que la Terre autour du Soleil. Comme une naine rouge émet une énergie bien moins importante que celle de notre Soleil, les températures sur la terre et Gl 581 C sont comparables. A noter que les années s’écoulent rapidement sur Gl 581 C puisqu’elle fait le tour de Gliese 581 en 13 jours seulement, contre 365,25 jours pour la course de la Terre autour du Soleil. Enfin cette exoplanète se situe à une distance réduite de la Terre, soit 20,5 années-lumière.

« C’est un pas significatif dans la recherche de vie possible dans l’univers », a déclaré l’astronome Michel Mayor, de l’Université de Genève, qui fait partie de l’équipe de 11 scientifiques européens qui a découvert la planète.

Ainsi, si la place de Dieu semble parfaitement préservée par les théories astrophysiques actuelles, à supposer toutefois qu’il soit besoin de justifier sa place par la science, il n’en va pas de même pour les caractères privilégiés que l’homme s’attribuait à lui-même.

Toutes les nouvelles découvertes semblent nous ramener à un minuscule épiphénomène d’un univers qui reste quasi inconnu dans sa composition et nous montre donc la vaste étendue de notre ignorance. Cependant, comme dans des vases communicants, au fur et à mesure que le niveau de notre ego diminue, le champ des possibles augmente et nous ouvre de nouvelles potentialités, à commencer par un contact avec les Autres qui existent certainement dans les profondeurs galactiques. SETI n’est sans doute pas le seul programme de recherche dans l’univers et si nous ne les trouvons pas pour le moment, rien ne prouve qu’ils ne nous aient pas déjà localisé.

Qu’il est doux de partager avec un Autre la splendeur du Ciel et le grand spectacle de la Vie.

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La Terre vue d’Apollo 17

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Yéyé

 

Cet article ne se veut pas complet sur l’état des connaissances disponibles auprès du grand public en ce qui concerne l’univers et encore moins de son historique. De très nombreux sujets fondamentaux ont été omis volontairement car j’ai considéré qu’ils n’apportaient pas grand-chose au fond de la question exprimée dans la conclusion.

Si vous voulez en savoir plus, il existe de nombreux sites sur la question. Je vous recommande particulièrement le site de la Nasa, celui de l’Institut SETI et celui d’une école à Lyon. Notons également que toutes les illustrations proviennent du site Wikipédia.

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A la Rencontre de l’Incroyable !
8 mai 2011, par Azalaïs

J’ajoute que les ondes radio ne sont sans doute pas le meilleur vecteur de communication, n’en déplaise à Carl Sagan, Biraud et Ribes ! Elles se traînent à la vitesse de la lumière, 4 ans pour Proxima du Centaure, encore 4 ans s’ils répondaient de suite, donc 8 ans avec l’étoile la plus proche pour dire "Bonjour, ça va ?" — "Oui et vous ?", c’est de la folie !

Il me semble que la voie à explorer pour de telles communications serait du côté des interactions quantiques, de la non-séparabilité.


A la Rencontre de l’Incroyable !
8 mai 2011, par Azalaïs

Si l’expansion de l’univers s’accélère, cela signifie que les voyages interstellaires dans l’espace "classique" deviennent de plus en plus difficiles et que si nous voulons explorer cet univers autrement que par des télescopes, il faudra trouver des raccourcis...


A la Rencontre de l’Incroyable !
13 décembre 2007, par Béatrice

C’est très intéressant tout ça, merci d’avoir fait le point sur ces connaissances.
Moi ce qui me fascine c’est cette énergie noire, ne pourait-on pas dire qu’elle correspond au monde des esprits, à ces forces spirituelles qui tiennent le monde, les anges... ?
Ca fait plus très scientifique mais c’est logique !


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