En astrophysique, l’une des plus petites échelles que l’on puisse étudier est celle d’une planète tournant autour d’une étoile. La plus grande est tout simplement celle de l’univers tout entier. Y’a pas mieux. Côté planètes, l’unité de mesure commode est « l’unité astronomique », c’est-à-dire la distance terre-soleil. 8 minutes lumières. Côté univers, on compte en milliards d’années-lumière. Si le système solaire était une bactérie (1 micron), on compterait la taille de l’univers en distances terre-lune. C’est grand.
Le prix Nobel de physique décerné mardi dernier a mis à l’honneur ces deux extrêmes. L’infiniment petit astronomique, et l’infiniment grand. Les exoplanètes et l’univers.
Exoplanètes
Quand en 1995 Michel Mayor et son étudiant en thèse Didier Queloz découvrirent la planète « 51 Pegasi b », ils venaient de mettre la main sur la première planète tournant autour d’une étoile semblable à notre soleil. A cette époque, on ne connaissait que 2 autres exoplanètes. Mais ces deux-là tournaient autour d’une étoile morte. Une étoile à neutrons. Détail intéressant, les deux compères tirèrent parti d’une technique de détection envisagée 43 ans auparavant, mais qu’on pensait impossible à mettre en œuvre.
On connait maintenant plus de 4000 exoplanètes aperçues rien qu’en regardant autour de nous[1]. Il doit y en avoir des dizaines de milliards dans notre galaxie[2]. Et comme des galaxies, il en a dans les deux mille milliards dans l’univers observable[3], je vous laisse faire le calcul. Mayor et Queloz ont bel et bien découvert le premier arbre d’une immense forêt.
Univers
En 1929 Edwin Hubble découvre que l’univers est en expansion. Plus les étoiles sont loin, plus elles s’éloignent vite. Il a fait une erreur d’un facteur 7 sur ses mesures de distances[4], mais à ce stade, ce n’est pas important. La valeur de la découverte est qualitative, pas quantitative. L’univers n’est pas statique. En 1929, c’est ça qui compte. Pour le quantitatif, on verra plus tard. C’est pour cela que Hubble est resté dans l’histoire, même si sa détermination de « sa constante », la fameuse constante de Hubble, était 7 fois trop grande[5].
Plus tard, c’est maintenant. La cosmologie est devenue quantitative. Dans les années 30-50 du siècle dernier, on s’arrachait les cheveux pour une imprécision de 700%. Aujourd’hui, on se casse la tête pour un peu moins de 10%. Que s’est-il passé entre temps ? Répondre « James Peebles » serait un peu simpliste, mais il est vrai que notre troisième lauréat a joué un rôle primordial dans l’avènement de la cosmologie de précision.
James Peebles est entré dans la danse en 1964, peu avant ses 30 ans. Il a décidé d’étudier la cosmologie a une époque où le scenario du Big Bang n’était pas encore assis. La découverte du Fond Diffus Cosmologique (FDC) allait changer la donne, en partie grâce à lui. Comme le dit Joseph Silk (Oxford puis Paris), Peebles “a mis la physique dans la cosmologie.”[6] Comment ? En calculant, par exemple, comment les structures de l’univers ont pu se former à partir de la condensation gravitationnelle des petites inhomogénéités détectées dans le FDC. Ou bien comment prévoir ces mêmes inhomogénéités en fonction de l’histoire antérieure de l’univers (je parle de l’histoire antérieure à l’émission du FDC).
Ces calculs furent confrontés aux observations de l’époque, suscitant le besoin d’observations plus précises, permettant à leur tour de tester plus finement les théories, etc. La cosmologie est ainsi rentrée dans le cercle vertueux théorie/observation, et James Pebbles est sans aucun doute le père de la partie théorique.
Pour aller plus loin
Notre dossier sur les exoplanètes
Le dossier du comité Nobel (en anglais)
Notes
[1] Si l’on ramène notre galaxie à un disque de 100 mètres de diamètre, nous n’avons pour le moment regardé qu’à 2 mètres à la ronde.
[2] Physical constraints on the likelihood of life on exoplanets, International Journal of Astrobiology, Volume 17, Issue 2, pp. 116-126, 2018.
[3] The Evolution of Galaxy Number Density at z < 8 and Its Implications, The Astrophysical Journal, Volume 830, Issue 2, article id. 83, 17 pp., 2016.
[4] Neta A. Bahcall, Hubble’s Law and the expanding universe, Proceedings of the National Academy of Sciences, 112, 3173-3175, 2015.
[5] Pour la petite histoire, son calcul mis bien des gens dans l’embarras car il donnait à l’univers un âge d’environ 2 milliards d’années à une époque où les géologues savaient déjà que la terre en avait au moins 3. La solution vint dans les années 1950, quand on se rendit compte de l’erreur de Hubble (c’est raconté ici). Comme l’écrivit Einstein avant que l’on trouve la solution, « On ne sait en aucun cas comment surmonter cette incongruité ».
[6] “He put the physics into cosmology.” https://www.sciencemag.org/news/2019/10/physics-nobel-honors-discovery-exoplanets-and-evolution-universe
Crédit illustration : Niklas Elmehed. © Nobel Media.
