© 2023 par La Couleur. Créé avec Wix.com

  • Judith Biernaux

Nobel 2019 : récompense aux exoplanètes et à la cosmologie


Le 8 octobre 2019, le prix Nobel de physique a été décerné à trois astrophysiciens : Dider Queloz, Michel Mayor et James Peebles. Les deux premiers, "pour la découverte d’une exoplanète orbitant autour d’une étoile similaire au Soleil". Le second, "pour ses découvertes théoriques en cosmologie physique".



Image : comité Nobel.

Pour la troisième fois dans cette dernière décennie, l'astrophysique est mise à l'honneur par le prix Nobel de physique. Cette année, le prestigieux prix a été remis à parts égales à deux découvertes majeures, en cosmologie et en exoplanétologie.


Les reliques du Big Bang


Le Canadien James Peebles reçoit cette année la moitié du prix pour honorer sa contribution majeure à la cosmologie, c’est-à-dire l’étude de notre univers à grande échelle, de sa naissance, de son fonctionnement et de son évolution. Peebles obtient son doctorat en 1962, à une époque ou la cosmologie, ce n’est pas très à la mode. Auparavant, autour des années trente, plusieurs découvertes avaient donné lieu à certaines théories majeures : par exemple, Edwin Hubble observe en 1929 que les galaxies s’éloignent les unes des autres, montrant ainsi que l’univers est en expansion, qu'il "gonfle". La logique voudrait donc que si on retourne dans le passé, l’univers se contracte. Ainsi, si l’on retourne suffisamment en arrière, l’univers pourrait être réduit à un point singulier, infiniment dense, qu’on appellera plus tard le Big Bang. Lorsqu’il est proposé par Georges Lemaître, le Big Bang est une révolution : le consensus scientifique de l’époque envisage plutôt un univers en équilibre stable, immuable. Notons que Georges Lemaître n’avait pas baptisé son hypothèse “Big Bang”, mais que ce terme a été employé pour la première fois par un autre cosmologiste, Fred Hoyle, de manière un peu moqueuse, lui qui était plutôt partisan du modèle d’univers en équilibre stable.


Peebles a largement contribué au formalisme mathématique pour soutenir le modèle du Big Bang. Par exemple, en 1964, les physiciens Arno Penzias et Robert Wilson découvrent un peu par hasard un rayonnement dans le domaine des micro-ondes, visible dans absolument toutes les directions de l’espace. James Peebles a proposé que ce “bruit de fond” était une relique du Big Bang, apportant ainsi un argument de poids contre l’univers en état stable.



On estime l’époque du Big Bang à il y a 14 milliards d’années. Ensuite, avec son expansion, l’univers voit sa densité et sa température diminuer. Environ 400 000 ans après le Big Bang, l’univers a suffisamment refroidi et devient transparent : la lumière peut s’y propager pour la première fois. Ce tout premier rayonnement est encore visible aujourd’hui, sous forme du fond diffus cosmologique, c’est le rayonnement de Penzias et Wilson. Il contient l’empreinte de l’univers tel qu’il était à cette époque, de ses fluctuations de densité. Le jeune univers était essentiellement homogène, mais il présentait des petits “grumeaux”, qui ont fini par forger la structure à grande échelle de l’univers. Sa température pouvait également varier localement, et ce sont les petites fluctuations de température que montre la “carte” du fond diffus cosmologique obtenue grâce au satellite Planck. Peebles en a proposé un décodage, sur base de ses propres outils mathématiques.


Ces mêmes outils ont pu montrer que la matière qui constitue le monde tel que nous le connaissons, des êtres vivants aux planètes, étoiles et galaxies, ne constitue que 5% de la matière contenue dans l’univers. Les autres 95% englobent la matière sombre et l’énergie sombre, deux des plus grands mystères de l’univers, nécessaires pour expliquer de nombreuses anomalies de masse et d’énergie observées aux grandes échelles cosmologiques. Pour avoir établi en grande partie le cadre théorique de notre compréhension actuelle de l’univers, Peebles est maintenant récompensé.


Un nouveau monde


Vingt-quatre ans presque jour pour jour avant leur prix Nobel, Dider Queloz et Michel Mayor, deux astronomes suisses, font une découverte révolutionnaire. En octobre 1995, ils publient le résultat de leur travail depuis l’Observatoire de Haute-Provence, entre Avignon et Nice. Pour la première fois, une planète orbitant une étoile autre que notre Soleil (mais semblable au Soleil) avait été observée : 51 Pegasi b, une géante gazeuse ressemblant un peu à Jupiter, orbite autour d’une étoile située à 50 années-lumières du système solaire. Après cet article, c’est le boom de l’exoplanétologie, l’étude des planètes extra-solaires. Depuis le début des années 2000, le nombre d’exoplanètes découvertes chaque année a exponentiellement augmenté, surtout après le lancement du télescope spatial Kepler en 2009, spécialisé dans la chasse aux exoplanètes.


Vue d'artiste de 51 Pegasi b. Image : ESO/L. Benassi

Il est extrêmement difficile d’observer directement une exoplanète, même au travers d’un télescope : vu leur distance et leur petite taille par rapport à leur étoile hôte, cela revient à chercher une luciole à côté du phare d’un camion à grande distance. Il faut un peu ruser pour détecter une planète autour d’une étoile lointaine : il faut rechercher ses effets sur son environnement. Le télescope Kepler, par exemple, utilise la méthode des transits, qui détecte l’effet de l’exoplanète sur la brillance de son étoile. En ce qui concerne 51 Pegasi b, elle a été découverte par la méthode des vitesses radiales. Une planète est gravitationnellemment liée à son étoile : c’est la gravité de l’étoile qui garde la planète en orbite. Or, la gravité est réciproque : la planète exerce également une petite attraction gravitationnelle sur l’étoile, et lui imprime un minuscule mouvement autour de son centre de masse. Ce tout petit mouvement peut être détecté dans l’empreinte lumineuse de l’étoile. La décomposition de sa lumière permet de mesurer la vitesse que sa planète lui imprime. Cette détection requiert cependant des conditions favorables : plus la planète est massive par rapport à son compagnon stellaire, plus le “recul” de l’étoile est important. De même, l’effet est plus prononcé encore si la planète est proche de son étoile, et si cette dernière est fort lumineuse. Ainsi, les capacités de cette méthode sont limitées en ce qui concerne les petites planètes.


À l’heure actuelle, près de 5000 exoplanètes sont recensées, et des centaines sont découvertes chaque année. Cependant, en raison de leur distance et de la difficulté de les observer directement, il est difficile de les étudier, d’en apprendre plus sur elles : quelle est leur composition chimique ? Ont-elles une atmosphère ? Abritent-elles de l’eau ? Si oui, à l’état liquide ? Cette dernière question conditionne le caractère “habitable” d’une exoplanète. En effet, l’exoplanétologie évolue main dans la main avec la recherche de la vie ailleurs dans l’univers, qu’on appelle l’exobiologie. Il ne s’agit pas ici d’espérer une rencontre du troisième type, mais bien de comprendre les mécanismes physico-chimiques à l’origine de la vie sur Terre, et de pouvoir les transposer sur d’autres planètes. Il s’agit d’élargir les horizons de l’humanité, mais également d’en comprendre les origines : être témoin de l’apparition de la vie quelque part dans l’univers offrirait une fenêtre sans précédent sur notre propre origine. Pour avoir ouvert la porte à cette branche moderne et prometteuse de l’astronomie, Mayor et Queloz ont été récompensés.


Sources


Elizabeth Gibney & Davide Castelvecchi, Physics Nobel goes to exoplanet and cosmology pioneers, Nature 574, 162 (2019)


Mayor, M et Queloz, D, A Jupiter-mass companion to a solar-type star, Nature, vol. 378, no 6555,‎ 23 novembre 1995, p. 355-359 (DOI 10.1038/378355a0)


Communiqué de Presse de l’Académie Royale Suédoise des Sciences, 8/10/19


Grégory Rozières, Le prix Nobel de physique 2019 pour la découverte de la première exoplanète, Huffington Post, 08/10/2019 11:57 CEST


Base de données d’exoplanètes

6 vues