Je vous partage une excellente vidéo de ScienceClic, dont j'avais déjà parlé. Elle présente l'ensemble des phénomènes bizarres que l'on pourrait observer si on s'approchait d'un trou noir et qu'on décidait (soyons fous) de rentrer dedans...

La vitesse de la lumière indépassable, les trous noirs ou le paradoxe des jumeaux, tout ça vous fascine ? Je vous recommande la chaîne youtube d'Alessandro Roussel, ScienceClic, qui explore de nombreuses questions de physique de l'Univers, avec clarté et à l'aide d'animations bien trouvées.

Il y a quelques jours, lors d’une conférence de l’American Physical Society, le physicien Daniel L. Jafferis, de l’université d’Harvard, a présenté des résultats plutôt surprenants : voyager à travers un trou de ver serait théoriquement possible ! Un trou de ver ? Mais siii, vous l’avez vu dans Interstellar, avec le marmottant mais séduisant Matthew McConaughey, rappelez-vous cette scène dans laquelle Matt’ observe un trou de ver, tout intrigué :

Le collègue de Matthew lui explique gentiment le principe du trou de ver. Vous voulez atteindre un point très lointain de l’espace ? N’y passez pas la vie, prenez un raccourci ! Dans la vidéo, notre espace-temps est représenté comme une feuille, que l’on pourrait plier pour atteindre plus vite notre destination, via le trou de ver.




Comme les trous noirs, les trous de ver ont été imaginés par Albert Einstein (et Nathan Rosen en ce qui concerne les trous de ver). Toutefois, les trous de ver sont (pour l’instant) des objets purement théoriques. A l’inverse, les trous noirs ont été observés, d’abord indirectement, et très récemment directement pris en photo !

Einstein et Rosen avaient imaginé ces trous de ver, aussi appelés ponts d’Einstein-Rosen (en réalité découverts par Ludwig Flamm un peu plus tôt, han l'arnaque !), mais ils n’avaient pas pu trouver un moyen de garder ces ponts ouverts. Il aurait fallu une matière exotique pour les empêcher de se refermer presque instantanément. De plus, ces ponts auraient une taille quantique, du genre très très microscopiques. Pas évident pour faire passer vos fesses, si petites soient-elles (personne n’est gros). Et si on essaie de les agrandir, ils s’autodétruisent ! Bon, c’est mal barré pour les vacances dans la galaxie voisine. Ce qui n’a pas empêché toute la science fiction de se servir de cette idée, fort pratique, je vous l’accorde.

Mais ce n'est pas ça qui décourage les physiciens, et certains, comme Kip Thorne ou Stephen Hawking, ont imaginé comment stabiliser de tels objets, avec l’effet Casimir par exemple. Je précise que cela n’a strictement rien à voir avec le type en costume orange qui cuisine du gloubi-boulga pour les enfants (osez cliquer sur la vidéo ci-dessous).

Le vide… pas si vide que ça !

Le néerlandais Hendrik Casimir a montré en 1948 que si on rapproche suffisamment deux plaques parallèles, une force semble vouloir les coller l’une à l’autre. La cause probable ? L’énergie… du vide ! En réalité, le vide n’est pas si vide que ça. Dans le vide, des particules apparaissent sans cesse, et s’annihilent aussitôt. Pour mieux se représenter, et puisqu’on en parlait, imaginons que dans le vide, en permanence, des Casimirs de toutes les tailles apparaissent et disparaissent. Par contre, entre nos deux plaques très rapprochées, seuls les petits Casimirs peuvent rentrer. Si nos Casimirs décident de danser tous la salsa en poussant leurs voisins, on se rend compte que les Casimirs de l’extérieur, plus nombreux et plus costauds, vont pousser plus fort que les petits Casimirs entre les plaques. Résultat, les plaques se rapprochent !

Cet effet n’est pas qu’un détail marrant de la physique. Dans certaines théories, il pourrait carrément être à l’origine de l’existence de la gravité, rien que ça. C’est un effet similaire qu’a proposé Daniel L. Jafferis en imaginant connecter deux trous noirs au niveau quantique. Dans ce cas, le trou de ver serait alors traversable. Cela signifie que de la lumière pourrait passer dans le trou de ver et en ressortir, ce qui est normalement impossible dans le cas d’un trou noir ordinaire. Ce serait particulièrement intéressant car cela nous permettrait de savoir ce qu’il se passe à l’intérieur de ces monstres galactiques, censés tout avaler et ne jamais rien rendre !

Pour les vacances par contre, c'est toujours pas gagné, Jafferis précise que "Cela prend plus de temps de traverser ces trous de ver que d'y aller directement, alors ils ne sont pas très utiles au voyage spatial."... Même si de l’extérieur, tout cela peut avoir l’air farfelu (si, si, vous pouvez le dire hein), chercher un moyen de construire un trou de ver dans lequel la lumière puisse passer a déjà fait bien progresser la recherche sur une possible théorie de gravité quantique. Cette théorie (un peu le Graal des physiciens) permettrait de réconcilier la physique imaginée par Einstein, qui décrit l’infiniment grand, notre Univers, et la physique quantique décrivant l’infiniment petit, ces deux théories étant fondamentalement incompatibles, c'est ballot.

Pour aller plus loin

• L'article de Science Daily (en anglais) dans lequel j'ai trouvé ces informations et la citation de Jafferis
• L'effet Casimir sur wikipédia (mais accrochez-vous, c'est chaud)
  
• Mon dossier sur les trous noirs

L’inflation est partout ! Pas seulement sur le prix du lait, mais aussi sur l’univers : c’est l’inflation cosmique. Ce modèle cosmologique, c’est-à-dire un modèle théorique qui décrit l’évolution de l’univers, prévoit que sa taille a connu une phase d’expansion phénoménale il y a environ 14 milliards d’années. Pour la première fois, une observation vient de prouver cette hypothèse.

Mais qu’est-ce que ça peut faire que l’univers ait subi cette inflation, me direz-vous. Je vous avoue que sur le prix de la brique de lait, ça ne change strictement rien. Mais cela nous éclaire grandement sur l’histoire de notre univers et sur le pourquoi et le comment nous sommes arrivés là, ce qui n’est déjà pas mal !

Petit résumé des épisodes précédents : le Big Bang prévoit que l’univers a connu une phase où il était bien plus chaud et dense qu’aujourd’hui, il y a 14 milliards d’années. Puis il a subi une phase d’inflation démesurée. Lorsque la densité de matière est devenue suffisamment faible, les photons, les particules de lumière, ont enfin pu se propager librement.

Observer les jeunes années de l’univers

Cette première lumière, appelée rayonnement de fond cosmologique, est encore visible aujourd’hui, même si elle s’est beaucoup affaiblie. En effet, la lumière, ne voyageant pas à une vitesse infinie, met par exemple environ huit minutes à nous parvenir du Soleil. Nous voyons donc le Soleil tel qu’il était il y a huit minutes !

Avec le même raisonnement, Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de nous après le Soleil, est vue telle qu’elle était il y a 4 ans, car elle est située à environ 4 années-lumière. Vous avez donc compris que plus on regarde loin dans l’espace, plus on regarde loin dans le temps. Si l’on regarde suffisamment loin, il est donc possible d’observer le rayonnement de fond cosmologique, émis il y a 14 milliards d’années.

De nombreux chercheurs observent cette lumière, car elle est un formidable moyen d’en apprendre plus sur les jeunes années de notre univers. La semaine dernière, une équipe de chercheurs faisant partie de la collaboration BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) a apporté la première preuve de l’existence de l’inflation.

Quand la matière déforme la lumière

Pour cela, ils ont utilisé le fait que la matière peut déformer la lumière par le biais des ondes gravitationnelles. Pas de panique, j’explique ! Albert Einstein a montré que lorsque qu’un objet ayant une masse (par exemple la Terre, le Soleil, ou vous !) subit une accélération, des sortes de vagues dans l’espace-temps sont générées. Les objets situés aux alentours sentent le passage de ces vagues en étant alternativement étirés puis compressés.

De la même manière, lorsque l’on transmet une impulsion au bout d’un ressort, les anneaux se rapprochent puis s’éloignent les uns des autres au passage de l’onde (voir par exemple la vidéo ci-dessous). Une des propriétés de la lumière, appelée polarisation, va également être modifiée par le passage des ondes gravitationnelles.

L’inflation de l’univers s’est accompagnée d’une émission d’ondes gravitationnelles, qui ont laissé une empreinte unique sur le rayonnement de fond cosmologique. Pour détecter cette très faible empreinte, les chercheurs ont observé ce rayonnement pendant deux ans avec un télescope situé au pôle sud, où l’atmosphère est particulièrement sèche et stable.

Ces résultats confortent le modèle du Big-Bang et confirment l’intime relation entre la physique quantique, décrivant l’infiniment petit, et la gravitation. Ces deux théories, qui n’ont jamais été mises en défaut, ont pourtant des hypothèses de base radicalement opposées. Souhaitons bon courage aux physiciens qui travaillent sur leur réconciliation !

Pour en savoir plus :
Le site de l’expérience BICEP2 (en anglais).
L’article original des chercheurs (en anglais).

Article rédigé par Sarah Fechtenbaum le 25 mars 2014.

Quand je dis que je suis docteure en astrophysique, généralement, les gens me regardent lʼair franchement effaré. Ils ont en général du mal à imaginer ce que peut être une journée de physicien. Cʼest assez normal. Vous avez sûrement lʼimpression que le monde de la physique ne vous concerne pas franchement. Cʼest sûr que si je vous raconte quʼil y a des types dans le sous-sol de la frontière suisse qui font des collisions de quarks et de gluons, au mieux vous allez me demander si ça se mange, au pire vous allez vous dire quʼon devrait investir dans dʼautres choses plus importantes...

Et je comprends très bien.

Mais en réalité, la recherche scientifique est intimement liée à notre vie quotidienne. Sans lʼélectromagnétisme, pas de grille-pain, dʼampoule électrique, dʼaspirateur... Sans hydrodynamique, pas dʼavions. Sans la relativité, pas de communication par satellite.

Sans compréhension de la radioactivité, pas de radiothérapie. La liste est très longue. Et dans cet article jʼaimerais parler du LHC (en français : grand collisionneur de hadrons), qui est sans aucun doute la plus grande expérience scientifique de tous les temps, par ses dimensions, son coût et le nombre de personnes impliquées. Cʼest la plus grande machine jamais construite par lʼhomme, un anneau creux, à peu près aussi long que le périphérique parisien, enterré près de Genève. Sur lʼimage ci-dessous vous pouvez vous rendre compte de la taille dʼun des détecteurs de particules du LHC.

Cette taille gigantesque est nécessaire pour pouvoir accélérer des protons ou des ions (voir encadré ci-dessous pour la définition) jusquʼà quasiment la vitesse de la lumière et ensuite de les faire se percuter dans une collision très violente. Mais pourquoi font-ils cela ? Ces petits grains de matières que sont les protons sont en réalité composés dʼautres grains encore plus petits et le seul moyen de les « voir » cʼest dʼécraser violemment les protons. Si vous voulez savoir comment est faite une orange et que vous nʼavez pas de couteau, vous pouvez tout simplement lʼécraser et vous voyez alors apparaître ses composantes : la pulpe, le jus, les pépins. Ici ces composantes portent les jolis noms de quarks et de gluons.

Ces expériences apporteront de nombreuses informations sur lʼantimatière, la matière noire, lʼexistence de particules inconnues et aussi sur la jeunesse de lʼunivers. En effet, les conditions de température et de pression qui seront bientôt atteintes au LHC sont proches de celles de lʼunivers à ses débuts. Lʼobservation de ces collisions équivaut alors à regarder lʼunivers tel quʼil était il y a 14 milliards dʼannées !

Mais je vous avais promis du concret et le voilà. En ce moment au LHC les physiciens réalisent à peu près 600 millions de collisions par seconde. De ces collisions jaillissent un très grand nombre de particules. Ces observations sont transformées en données numériques, ce qui représente une quantité faramineuse de données, lʼéquivalent de 15 millions de CDs par an !

Un seul centre de calcul nʼaurait jamais suffi à traiter toutes ces données, lʼidée est donc de répartir cette charge sur un réseau mondial dʼordinateurs, appelé la grille (traduction de lʼanglais the grid). Cette grille permet un échange dʼinformations, comme le réseau web, mais en plus, et cʼest le plus important, elle permet une mise en commun de la puissance et de la capacité de stockage de chaque ordinateur du réseau. Si vous avez un travail à faire, mais pas assez de ressources sur votre propre ordinateur, vous pouvez envoyer votre requête à un ordinateur gestionnaire, qui va trouver à quel endroit sur la planète des ordinateurs sont disponibles pour faire votre travail le plus vite possible.

Et cette technologie est déjà utilisée ailleurs quʼau LHC, elle permet par exemple dʼaccélérer les prévisions par modélisation des inondations ou de lʼactivité des volcans, la recherche sur de nouveaux médicaments. Encore plus concrètement, elle permet une aide au diagnostic médical avec une analyse plus rapide des images médicales ou une comparaison automatique avec des archives, permettant de trouver des cas similaires. Tous les domaines de recherche bénéficieront de cette technologie et donc tous les citoyens.

Aujourdʼhui ces grilles sont encore séparées les unes des autres et réservées à des organismes scientifiques, mais les plus ambitieux imaginent déjà une grille mondiale à la disposition de chacun. Cette histoire rappelle celle du web, inventé en 1989 par des scientifiques du CERN, pour pouvoir partager plus facilement des données, juste entre scientifiques bien sûr... La physique dʼaujourdʼhui continue de faire les révolutions technologiques de demain.

Article rédigé par Sarah Fechtenbaum publié en 2011 ou 2012 (je sais pu trop).

Un vent de nouveauté souffle sur le monde de la physique, en provenance du LHC, le grand collisionneur de particules lové sous la frontière franco-suisse. Cette immense machine, la plus grande installation scientifique jamais réalisée, a atteint son régime de croisière depuis 2010. Les résultats préliminaires présentés aujourd’hui ont de quoi bouleverser notre conception de la matière et de l’univers. Rien que ça !

Le «modèle standard» a été construit par les physiciens depuis les années soixante pour décrire mathématiquement les particules élémentaires qui composent toute chose dans l’univers : les quarks, les leptons et les bosons, ainsi que leurs interactions. Chose étrange, ce modèle prédit que les particules doivent avoir une masse nulle. Or, vous avez dû vous en apercevoir, vous avez une masse !

La particule pot-de-colle

Pour résoudre ce problème, Peter Higgs a alors suggéré en 1964 l’existence d’une particule spéciale, le boson de Higgs. L’univers serait en réalité rempli de ces bosons du genre pots-de-colle, qui interagissent avec les autres particules et les ralentissent. La masse n’est plus une propriété intrinsèque de la matière, mais le résultat de l’interaction avec les bosons de Higgs. Plus une particule interagit avec les bosons, plus elle sera ralentie et donnera l’impression d’être massive.

L’une des raisons de la construction du LHC est la recherche de cette particule, devenu la pierre angulaire du modèle standard. Le LHC est constitué d’un anneau de 27 km de long dans lequel sont créés des faisceaux de particules, voyageant en sens inverse l’un de l’autre, à quasiment la vitesse de la lumière. L’objectif est la collision frontale entre les deux faisceaux, à une énergie colossale. Les particules vont alors interagir et créer une multitude d’autres particules, observées par les détecteurs du LHC.

Le graal des physiciens enfin à leur portée

Aujourd’hui, les équipes du LHC ont présenté leurs résultats démontrant l’existence irréfutable d’un boson de Higgs. De nombreuses autres données recueillies dans les prochains mois montreront si ce boson a bien les propriétés prévues par le modèle standard ou s’il est plus exotique.

En effet, quelques menus problèmes persistent dans notre compréhension de l’univers. Par exemple, la question de la matière noire (lien), qui constituerait l’essentiel de la matière, mais de nature encore totalement inconnue. De nombreux physiciens espèrent que les propriétés du boson de Higgs éclaireront cette question.

Et vous saurez enfin pourquoi vous avez une masse (et ça, c'est la classe, grosses fesses ou non).

Pour aller plus loin
Magnifiques photos à 360° et sonorisées du LHC :
http://petermccready.com/
Le site du LHC, avec des vidéos :
http://www.lhc-france.fr/les-experiences/a-la-recherche-du-boson-de-higgs

Bon, aujourd'hui, j'avoue, c'est pas très mystérieux comme image. A moins que vous viviez dans une grotte sans fenêtre, vous savez que c'est un arc-en-ciel, bravo. Un chouia plus dur : qui peut m'expliquer pourquoi on voit toutes ces couleurs ? Vous vous souvenez probablement que la lumière du Soleil, qui nous apparaît à peu près blanche, est en fait composée d'un tas de couleurs, qu'on divise arbitrairement en un certain nombre, selon les cultures. Vous vous souvenez même peut-être avoir joué à l'école avec un coin en verre appelé prisme.

MAIS... ce n'est pas tout !

Ces jolies couleurs ne sont qu'une toute petite partie de la lumière, il y en a bien plus ! Ces autres couleurs ne sont pas visibles à l'œil nu. Vous en connaissez certaines de nom : les ultra-violets (les fameux UV qui vous crament pendant que vous bronzez), les rayons X pour voir à travers les corps, les micro-ondes qui réchauffent ta quiche aux brocolis, l'infrarouge dont on a parlé précédemment, etc.. Tout ça, c'est de la lumière ! En plus d'avoir des tas d'applications dans nos vies quotidiennes, ces différentes lumières sont très utiles pour nous, astrophysiciens.

On peut représenter ces lumières en les mettant sous forme de frise, appelée spectre, avec la lumière visible au milieu, comme ci-dessus. À gauche de la lumière visible, on trouve les UV, les rayons X et les rayons gamma. Ces lumières contiennent beaucoup plus d'énergie que la lumière visible. Dans l'univers, ils sont émis par des phénomènes violents comme des explosions d'étoile, des collisions, etc.

À droite, il y a l'infrarouge, les micro-ondes et les ondes radios (qui portent les voix de nos animateurs radio), etc. A l'inverse, ces lumières sont moins énergétiques que la lumière visible. En astrophysique, elles sont par exemple émises par les nuages de gaz froids et denses où les étoiles se forment. On peut aussi regarder un même objet, par exemple le Soleil, dans différentes lumières, pour apprendre différentes choses, comme sur l'image ci-dessous. Si on veut observer les éruptions solaires, très énergétiques, les UV et les rayons X seront plus adaptés, alors que si je veux regarder les taches solaires, ces zones plus froides de la surface du Soleil, la lumière visible conviendra mieux.