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Selon la théorie la plus communément admise en cosmologie, mais pas par « tout le monde », la matière « ordinaire » (baryonique) ne constitue que 4,9% de la masse de l’Univers. Se pose dès lors le lancinant problème de la nature et de la localisation de « tout le reste ». On a déduit, sans pouvoir le confirmer par observation, qu’il se compose d’« énergie sombre » (68,3%) et de « matière noire » (26,8%). Le télescope WFIRST de la NASA a été conçu pour nous aider à élucider ce mystère.
L’origine de cette déduction vient de ce que plusieurs faits observés ne concordent pas avec ce qu’ils devraient être en application des théories de la cosmologie classique. Par exemple l’expansion de l’univers, qui semble accélérer ou encore la vitesse de rotation des galaxies, plus rapide en leur périphérie qu’elle devrait l’être. C’est cela qui a conduit les astrophysiciens et les physiciens dans leur immense majorité*, à adhérer à l’hypothèse de l’énergie sombre** dans le premier cas et de la matière noire** dans le second.
**Energie sombre: supposée en 1998 par Huterer et Terner; présente partout, elle induirait une sorte d’antigravité;
**Matière noire: supposée en 1933 par Fred Zwicky puis en 1970 par Vera Rubin; localisée, elle « alourdirait » les galaxies d’une masse invisible.
*Seules quelques voix discordantes dont celle d’André Maeder (voir ci-dessous) s’élèvent contre. Elles sont très minoritaires, au moins pour l’instant.
Il n’est pas question de « voir » l’énergie sombre ou la matière noire mais d’en constater les effets, avec autant de précision que possible, et sur des objets différents, afin de la comprendre. Pour en démontrer la réalité et en percevoir la nature, les tenants de cette théorie doivent donc utiliser les moyens dont ils disposent c’est-à-dire les ondes électromagnétiques que l’on reçoit et parmi elles celles qui sont les plus pertinentes c’est-à-dire celles qui mettent le mieux en évidence les « anomalies » qu’ils recherchent.
WFIRST (« Wide Field Infrared Survey Telescope », en français « Télescope d’étude infrarouge grand-champ ») a été conçu principalement pour cela. Il s’agit d’un télescope qui capterait les longueurs d’onde de l’infrarouge proche (juste un peu plus longue que celles du spectre visible) jusqu’à 2 µm et qui étudierait plus finement les variations à travers le temps exprimées par ces rayonnements, du taux d’expansion de l’univers. Les télescopes à infrarouge ont une capacité différente des télescopes à lumière visible ou à rayons X puisqu’ils ne voient pas les sources chaudes, les plus énergétiques, mais les sources froides (on devrait dire « moins chaudes »). Ils peuvent nous donner beaucoup plus d’informations que les autres télescopes à ondes plus courtes puisqu’ils repèrent beaucoup mieux la multitude d’objets lointains « ordinaires » qui s’enfuient à grande vitesse de nous (effet Doppler-Fizeau) du fait de l’expansion de l’univers. Par ailleurs la localisation dans l’espace de WFIRST permettrait de ne pas souffrir de l’absorption de ces rayonnements par les gaz et l’humidité atmosphérique. Le grand-champ (100 fois celui de Hubble !) serait d’autant plus utile que l’on ne recherche pas à voir un astre précisément mais plutôt des environnements au travers de ces astres pour les comparer. Pour étudier les effets de l’énergie sombre via le taux d’expansion, ses promoteurs veulent mesurer les « oscillations acoustiques des baryons »* ou la distance de luminosité des supernovæ de type « 1a » (à explosions thermonucléaires ≠ des supernovæ à implosions du fait de l’effondrement de leur cœur) dont la luminosité absolue est connue, et étudier les lentilles gravitationnelles faibles, sur la plus grande profondeur possible de l’espace. Selon la distance, les effets de l’énergie sombre doivent avoir varié pour des masses semblables compte tenu de l’accélération de l’expansion sur la durée.
*avant la période dite « de recombinaison », des ondes acoustiques se propageaient dans le plasma primordial. On retrouve les effets de ces ondes étirées par l’inflation cosmique dans la distribution de la matière au sein des amas de galaxies.
WFIRST pourrait certes ne pas confirmer la tendance à l’accélération mais ce n’est pas le plus probable. Alternativement, la confirmation de l’expansion accélérée mais avec des résultats non concluants en ce qui concerne les effets d’une énergie sombre ou d’une matière noire sur la matière baryonique donnerait toutes ses chances à la théorie sur les propriétés du vide développée par André Maeder, publiée en janvier 2017 dans « The Astrophysical Journal ». André Maeder, professeur émérite à l’Université de Genève, ne nie pas la réalité de l’accélération, bien au contraire, mais considère qu’elle devrait être « simplement » une conséquence du vide à grande échelle (dans le cadre duquel les règles de la relativité générale s’appliquent), en prenant pour hypothèse « l’invariance d’échelle du vide », hypothèse selon laquelle l’espace vide a les mêmes propriétés à quelque échelle qu’on le considère. Et dans ses calculs, cette invariance fait apparaître un terme très petit d’accélération de l’expansion qui s’oppose à la force gravitationnelle…Juste ce que l’on recherche ! Toute énergie sombre ou matière noire deviendraient donc inutiles pour expliquer l’accélération. Les personnes intéressées peuvent lire sa démonstration dans l’étude scientifique vers laquelle je donne le lien ci-dessous.
WFIRST, projet du Goddard Space Center de la NASA depuis la revue décennale de 2010 (« Decadal Survey » du « National Research Council » de la « National Academy of Sciences ») a bénéficié de l’offre d’un miroir gratuit de la NRO (« National Reconnaissance Office ») qui n’en a plus l’usage par suite de l’abandon d’un projet de satellite espion pour qui il avait été construit. Le miroir, de type Richtey-Chrétien comme celui de Hubble, est plus grand que celui prévu à l’origine (2,4 mètres, comme celui de Hubble, contre 1,5 mètres) et gratuit. Cela abaisse évidemment fortement le coût de l’ensemble, ramené à 1,7 milliards de dollars (contre 2 milliards pour Hubble, mais en 1990). Il serait doté d’un imageur grand-champ, d’un spectromètre et d’un coronographe (pour occulter les sources lumineuses trop violentes par rapport aux sources froides recherchées). Il aurait une masse de 7,5 tonnes à laquelle il faudrait ajouter trois tonnes d’ergols nécessaires à la circularisation de l’orbite d’observation et aux ajustements de cette orbite durant les six ans de la mission.
WFIRST serait positionné de préférence au point de Lagrange L2, en opposition au Soleil (dans l’ombre perpétuelle de la Terre), où la température est froide et stable et la pollution lumineuse du soleil absente. Alternativement (antérieurement) il aurait pu être positionné en orbite géostationnaire de la Terre.
WFIRST a des objectifs accessoires (mais importants pour justifier la mission vis-à-vis des décideurs), notamment l’observation des exoplanètes en exploitant l’observation des lentilles gravitationnelles faibles (puisque les planètes sont des sources froides et que le télescope disposerait d’un coronographe très innovant par son adaptabilité à la surface stellaire devant être occultée) ; un passage de planète devant l’étoile en premier-plan entraînant une augmentation de la masse de l’ensemble et donc un accroissement de son effet de lentille. C’est intéressant pour les planètes se situant à plus de 0,5 UA de leur étoile car cela comblerait un manque : on observe généralement, par la méthode du transit ou des oscillations radiales, plus facilement les planètes plus proches de leur étoile et avec les coronographes classiques les planètes beaucoup plus lointaines (40 UA) de leur étoile ; or les planètes « habitables » (celles que l’on recherche en priorité) doivent se situer ni trop loin, ni trop près de leur étoile (la température doit permettre l’eau liquide en surface).
Le projet a été validé en février 2016 et le lancement pourrait avoir lieu mi-2020. Malheureusement le dernier budget de la NASA proposé par la nouvelle administration américaine veut y mettre fin car elle a « d’autres priorités ». En fait le gouvernement américain lance la NASA sur le projet ultra-coûteux et a priori totalement inutile mais spectaculaire, de station spatiale en orbite autour de la Lune (« Deep Space Gateway » devenu « Lunar Orbital Platform-Gateway »). Beaucoup de beaux projets risquent d’être sacrifiés à ce « machin » sans aucun intérêt qui n’est que la continuation de l’ISS dans un environnement plus hostile. Il reste un espoir, le refus du Congrès de suivre la proposition du gouvernement.
NB : Après de nombreuses vicissitudes (y compris à cause des retards et des augmentations de coût du JWST, successeur de Hubble), la NASA a finalement accepté d’aller de l’avant et décidé, en Mars 2020, d’allouer un budget de 3,3 milliards pour le projet. Ce montant permettra la réalisation du télescope, son lancement (en 2025) et 5 ans de fonctionnement.
Illustration de titre : représentation artistique du télescope WFIRST (crédit NASA, Goddard)
Liens :
“An alternative to the ΛCDM model: the case of scale invariance”, par André Maeder, dans “The Astrophysical Journal”:
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/834/2/194/meta
article paru dans Le Temps sur l’étude d’André Maeder :
https://www.letemps.ch/sciences/un-professeur-genevois-remet-question-matiere-noire
Article de Huterer et Terner sur l’énergie sombre:
https://arxiv.org/pdf/0803.0982.pdf
articles de la NASA sur le projet WFIRST:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasa-s-next-major-telescope-to-see-the-big-picture-of-the-universe
PS : Je salue Stephen Hawking avec respect, admiration et émotion. Il a démontré de la façon la plus brillante la domination de l’esprit sur la matière. Il est un exemple pour tous.
9 réponses à “WFIRST pourrait nous éclairer sur le mystère de l’énergie sombre”
Merci pour ce beau sujet, complet, passionnant, compréhensible par tous.
Au plaisir de vous lire à nouveau.
Je pense que le qualificatif “baryonique” mérite quelques explications car il ne doit pas parler à beaucoup de personnes et est par ailleurs utilisé de manière assez inappropriée dans ce contexte et prête ainsi à confusion (c’est malheureusement souvent le cas en physique), Les baryons sont une famille de particules élémentaires à laquelle appartiennent les protons et les neutrons qui composent le noyaux des atomes. Ce sont en fait des particules composites, formées de trois particules élémentaires qu’on appelle “quarks”, Ceci est important car ce sont ces particules qui assurent la cohésion des noyaux malgré la répulsion coulombienne qui tendrait à faire se séparer les protons portant chacun une charge électrique positive (la liaison des quarks est en fait assurée par les “gluons” … qui portent ainsi bien leur nom!). Mais les atomes comportent aussi des électrons, qui tournent autour des noyaux, et qui ne sont eux pas des baryons, mais des leptons, qui ne sont pas sensibles à l’interaction forte qui lie les baryons. “Matière baryonique” est donc en toute rigueur une désignation impropre si l’on entend qualifier la matière “visible” de l’univers par opposition à la “matière noire”.
Certes le terme “baryonique” n’est pas strictement parlant, parfaitement approprié à l’ensemble de la matière visible mais dans la réalité et dans le cas présent il l’est car les leptons, en termes de masse, sont négligeables (il est en effet bien connu que si l’électron a une masse, cette masse est tout à fait négligeable par rapport à celle des protons et des neutrons). Il est d’usage sur ce plan de parler de matière baryonique en l’étendant aux leptons. Ici, de plus, il est question précisément de masse et uniquement de masse. Si on ajoutait la totalité des électrons de l’univers à celle des protons et des neutrons, je ne crois pas que cela change quoi que ce soit à la proportion de matière visible (ou baryonique) par rapport aux “autres” (matière noire et énergie sombre, qui restent hypothétiques) et au rapport de masses. Donc votre remarque n’est pas inintéressante de manière générale mais elle est ici totalement inappropriée et ne peut qu’apporter de la confusion.
Je constate que mon commentaire a au moins eu le mérite d’expliquer un terme que peu de lecteur je pense auront compris auparavant. Je les laisse juger si cela est vraiment inintéressant et apporte ou non de la confusion. Même si la masse des électrons est petite par rapport à celle des nucléons, ils n’en sont pas mois une composante essentielle des atomes de la matière “visible”. On devrait donc trouver en toute rigueur un autre qualificatif que “baryonique” pour distinguer celle-ci de la matière dite “noire”; c’est en tout cas une opinion que partagent pas mal de physiciens (même si, comme je l’ai mentionné dans mon premier commentaire, ce n’est malheureusement de loin pas le seul exemple de terme discutable utilisé en physique).
On pourrait aussi dire que la matière visible est, presque par définition, la seule qui soit constituée de protons et de neutrons (on n’imagine pas une matière noire composée de ces éléments, sinon ce ne serait pas de la matière noire!) et donc qu’à ce titre il serait justifié de la nommer “baryonique”.
Mais cette discussion est oiseuse.
Votre purisme dans le cas présent n’a pas d’intérêt car (1) le terme “baryonique” est d’usage commun et tous les scientifiques savent très bien de quoi il s’agit et (2) parce que la propriété de la matière visible ici essentielle est sa masse et que cette masse est constituée en quasi totalité des composants baryoniques de cette matière. Par rapport à mon article la finesse sur laquelle vous insistez n’est donc pas appropriée.
C’est une opinion.Personnellement., je pense que si on utilise un terme “savant”, qui n’est de loin pas connu de tout le monde, ou il ne sert à rien, ou il faut donner un minimum d’explication, ce que j’ai tenté de faire succinctement. Et pas sans résultat je le constate; les lecteurs savent maintenant ce que signifie ce terme et pourquoi il est utilisé dans ce contexte, même si ce qualificatif est peu appropriée en la circonstance, comme pas mal de physiciens le pensent. En effet “notre” matière est constituée d’atomes, et ceux -ci sont constitués de nucléons – protons et neutrons – qui sont effectivement des baryons, ET d’électrons, qui sont des leptons; qualifié cette matière de “baryonique” prête donc à confusion; cqfd.
Et bien, merci de votre clarification!
Ceci dit je persiste à dire que c’est parce que notre matière visible est baryonique, c’est à dire essentiellement constituée de nucléons en termes de masse, que le problème traité dans mon article se pose puisque cette masse ne serait apparemment pas suffisante pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers. C’est pour proposer une solution à cette insuffisance apparente de masse que l’on a lancé les hypothèses sur la matière noire et l’énergie sombre. Ce qui est passionnant c’est le questionnement qui subsiste sur cette hypothèse, d’autant qu’il y a des alternatives comme celle que propose le Professeur André Maeder avec son hypothèse des propriétés du vide (invariance d’échelle).
Au delà du débat de très faible intérêt sur la pertinence de l’emploi du terme “baryonique”, il ne faut pas perdre de vue l’objet très important du télescope WFIRST qui est de repondre à cette attente en vérifiant si les anomalies du taux d’expansion apparaissant dans la profondeur du Temps nécessitent pour être comprises, “autre chose” que notre matière visible (essentiellement baryonique) ou s’il est préférable de suivre l’hypothèse de l’invariance d’échelle du temps.
En y réfléchissant, je pense qu’il faudrait peut-être dans ce contexte plutôt parler de “masse baryonique” que de “matière baryonique”. La masse des atomes étant essentiellement celles des nucléons, dans ce cas le qualificatif serait acceptable, alors que “notre” matière, elle, ne peut pas correctement être qualifiée de “baryonique”.
Quant à la théorie du Professeur Maeder, elle est certes intéressante (et originale), … mais aussi très controversée pour le moment. Cela me rappelle un peu les théories qui sous-tendent la source d’énergie révolutionnaire que j’ai déjà évoquée, et à laquelle la NASA s’est intéressée, dont je parlerai peut-être plus en détail ici une fois si l’occasion se présente.
Ce n’est pas mal mais je pense qu’on a intérêt à qualifier la masse. Je préférerais donc “masse baryonique de l’univers” et d’autre part, “masse non baryonique de l’univers”, ceci en parallèle avec “matière visible” et “matière noire”, moins précises.
Pour ce qui est de la théorie du Professeur Maeder, elle est certes controversée mais jusqu’à présent les tenants de la matière noire et de l’énergie sombre, n’ont obtenu aucune preuve de leur hypothèse qui n’a été avancée que pour expliquer l’inexplicable. C’est pour cela que des missions comme celles de WFIRST sont si importantes, essayer de trouver un argument “tangible”. Jusque là, la théorie du Professeur Maeder sera aussi valable que celle de ses contradicteurs. Elle est en outre plus élégante car plus simple et moins hasardeuse car elle ne suppose ni une “force” ni une “matière” dont on ne peut même pas imaginer de quoi elles résultent ou de quoi elles sont faites.