Des trous noirs au multivers, entretien avec l'astrophysicien Aurélien Barrau

Publié par Geraldine Fabre, le 18 février 2019   2k

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Aurélien Barrau est professeur d’astrophysique à l’Université Grenoble Alpes et chercheur au Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie. Spécialiste des trous noirs et de la gravitation quantique, il est aussi docteur en philosophie et poète. 


Que sait-on aujourd’hui de notre Univers ?

Aurélien Barrau. Suivant le prisme avec lequel nous scrutons notre Univers, cette question peut avoir deux réponses très différentes. Nous avons une théorie qui décrit ce qu’est l’espace-temps : la relativité générale, une théorie du « contenant » en quelque sorte, et une théorie qui décrit ce qu’il y a dans l’Univers : la physique des particules, une théorie du « contenu ». Quand on les utilise simultanément, on est capable de décrire très précisément et de façon quantitative, l’évolution de l’Univers. On sait que d’abord, l’Univers a grandi exponentiellement durant la phase d’inflation, puis que les particules élémentaires, les noyaux, les atomes se sont formés. Qu’ensuite la lumière et la matière se sont découplées, et que la gravitation a repris ses droits. Puis que des étoiles sont apparues, des trous noirs, des galaxies, et des planètes, puis la complexité et la vie. Il s’agit d’une véritable cosmologie de précision : nous mesurons l’âge de l’Univers avec trois chiffres significatif (13,80 milliards d’années), sa densité et sa vitesse d’expansion au pourcent près. Donc, première réponse : nous connaissons les paramètres qui décrivent l’Univers avec une précision qui est parfois bien supérieure à celle avec laquelle nous connaissons la Terre. Nous sommes capables de retracer son histoire entre un milliardième de milliardième de seconde après le Big Bang et aujourd’hui. En un sens, on connaît l’essentiel.

Mais en regardant de plus près, on se rend compte que la majorité de la masse du cosmos est en réalité de nature inconnue : il existe de la matière noire, c’est-à-dire de la matière invisible qui est 25 fois plus nombreuse que la matière visible. Et pire que cela : cette matière est essentiellement composée de particules que nous n’avons pas encore identifiées. Il ne s’agit donc pas simplement d’étoiles un peu sombres ou de planètes cachées, mais bien d’une nouvelle forme de matière, qui est dominante dans l’Univers et que nous ne connaissons pas. Mais existe aussi une mystérieuse énergie noire, une forme d’énergie quatre fois plus abondante que cette matière noire, d’une nature encore plus inconnue, et qui serait responsable de l’accélération de l’Univers. Enfin, dernier problème que je vais mentionner mais il y en a d’autres, c’est le Big Bang lui-même. Ce que l’on appelle Big Bang est une sorte de singularité, un moment où les grandeurs physiques deviennent infinies. Cela ne veut pas dire que l’espace-temps a un comportement pathologique mais que notre théorie ne marche plus à l’instant initial… La deuxième réponse serait donc que beaucoup d’énigmes demeurent en physique des particules et en cosmologie.

Des énigmes que vous cherchez à résoudre ?

A.B. Aujourd’hui, en parallèle du Large Synoptic Survey Telescope (LSST), en français "Grand Télescope d’étude synoptique", qui devrait nous aider à comprendre l'énergie noire, je travaille sur la gravitation quantique qui est une manière d’unifier la physique quantique et la théorie de la relativité générale. L’enjeu consiste à mieux appréhender ce qui s’est passé au moment du Big Bang. En appliquant la gravitation quantique aux trous noirs et à l’Univers primordial, on peut essayer de savoir quelque chose sur l’origine de l’Univers et sans doute le cœur des trous noirs car ce sont des objets qui se comportent vraisemblablement de la même manière.

La difficulté majeure consiste à faire le lien avec l’observation. Depuis près d’un siècle, des chercheurs travaillent sur la gravité quantique mais jusque-là, ce n’était que des mathématiques et de la physique abstraite de très haut vol complètement déconnectées de l’observation. Nous commençons aujourd’hui à pouvoir faire des prédictions observationnelles. S’il y a eu quelque chose avant le Big Bang, il n’est pas du tout exclu que nous puissions commencer, d’ici une ou deux décennies, à pouvoir le détecter…

Et pourrait-il exister d’autres univers que le nôtre ?

A.B. C’est une question troublante, n’est-ce pas ? Si on appelle Univers la totalité de ce qui existe, par définition, il ne peut y avoir d’autres univers. Mais en physique, on appelle univers la totalité de ce qui est en principe accessible. Autrement dit ce que je pourrais voir avec un instrument infiniment puissant. Et alors en effet, il est tout à fait possible, voire probable, qu’il existe une structure de multivers, c’est-à-dire une multiplicité d’univers.

Ce qui est très intéressant, c’est que cette idée traverse toute l’histoire de la pensée, depuis la Grèce ancienne. Elle n’est donc pas révolutionnaire en terme de projection conceptuelle sur le cosmos, mais elle fait aujourd’hui effraction en physique théorique d’une belle manière. Elle apparaît non pas parce que quelques physiciens échevelés ou subversifs l’auraient introduite artificiellement mais parce que certains de nos modèles les plus sérieux et les mieux mathématiquement définis y conduisent. Le multivers peut poindre en relativité générale, en mécanique quantique, en théorie des cordes, en cosmologie inflationnaire, etc. Et, dans une certaine mesure, les trous noirs aussi prédisent un multivers. En effet, un trou noir de la masse du soleil a un diamètre de quelques kilomètres, vu de l’extérieur. Mais quel est le volume à l’intérieur ? Quelques kilomètres cube si on applique les règles de géométrie usuelle. Mais c’est faux pour un trou noir. Même si la taille extérieure est constante, le volume intérieur ne fait que croître avec le temps. Si on attend suffisamment longtemps, même un aussi petit trou noir, peut contenir un volume qui est plus grand que notre Univers observable. Cela peut paraître très étrange mais c’est parfaitement clair du point de vue de la théorie de la relativité générale. Les trous noirs pourraient donc être des embryons d’univers et on peut imaginer une structure de multivers gigogne où chaque univers engendre des univers à partir des trous noirs qui se trouvent en son sein, qui eux-mêmes peuvent engendrer des univers, etc.

Est-ce encore de la science ou de la science-fiction ?

A.B. On est encore dans la science usuelle parce que le multivers n’est pas en lui-même une théorie. S’il y avait une « théorie du multivers » qui affirmait l’existence de 19 mondes, les 18 autres étant inaccessibles, ce serait infalsifiable par essence et donc non scientifique. Mais le multivers est une conséquence de certaines théories de physique standard qui n’ont pas été inventées à cette fin. Ces théories sont testables dans notre Univers. Si on infirme ces théories, alors on infirme aussi la conséquence « univers multiple ». Si au contraire ces théories sont suffisamment bien corroborées pour devenir nos paradigmes, nos représentations dominantes, alors il serait incohérent de les conserver et de ne pas inclure la conséquence « multivers ». Finalement, ce qu’il faut tester ce n’est pas le multivers lui-même, c’est la théorie qui prédit le multivers et ça, a priori, on peut le faire. De plus, le multivers apporte des réponses intéressantes à ces questions très précises concernant par exemple l’apparition de la complexité. Il change concrètement quelque chose.

Il pose aussi de vraies questions philosophiques car quand on cherche à savoir s’il s’agit d’une spéculation infondée ou d’une découverte légitime, il faut réfléchir sur ce qu’est la science. Concernant le multivers, il n’y a pas de consensus dans la communauté scientifique. De très grands cosmologistes sont totalement convaincus que le multivers existe et pour eux, ce n’est même plus la peine d’en débattre. Pour d’autres, au même niveau de reconnaissance, l’idée même du multivers est tellement aberrante qu’elle ne mérite effectivement pas d’être débattue. Ma position, c’est que le multivers ne peut pas être écarté d’un revers de la main.

Mais au fond, ce qui est intéressant, ce n’est pas de savoir s’il existe, parce que je ne suis pas certain que nous aurons un jour la réponse, mais c’est qu’il oblige les astrophysiciens, les physiciens, à excéder un peu le champ de leur discipline, à s’interroger sur le sens même de ce qu’ils découvrent ou inventent, à lever la tête de leurs calculs et à faire face à des interrogations qu’ils ne rencontrent pas forcément très fréquemment au quotidien.

Le multivers est donc bien un objet d’étude scientifique ?

Oui, il reste scientifique au sens banal du terme, au-delà de ce que j’expliquais précédemment, ne serait-ce que parce qu’on peut tester indirectement les conséquences de son existence.

Imaginons qu’une théorie prédise plein d’univers avec des caractéristiques précises. Nous, nous ne voyons qu’un seul univers : cela signifie que nous n’avons accès qu’à une partie de l’information. Mais en fait, c’est toujours le cas ! Quelle que soit la théorie que l’on teste, on ne teste jamais tout ce qu’elle prédit. On vérifie la gravité de Newton avec les planètes autour de nous mais on ne la vérifie pas avec les planètes qui sont à l’autre bout de l’Univers. Donc, de toutes façons, on n’a toujours qu’un échantillon réduit du réel à disposition. Évidemment, dans le cas du multivers, la réduction est drastique : un seul univers sur une éventuelle infinité. Mais ce n’est qu’un changement quantitatif et pas qualitatif.

Concrètement, si une théorie prédit différents types d’univers et que l’on peut évaluer les caractéristiques de chacun d’eux, on peut ensuite calculer la probabilité d’adéquation avec l’Univers unique qui est observé. Ce que cela veut dire, c’est qu’on peut réfuter ou accepter la théorie avec un niveau de confiance qui est faible. Si au LHC du CERN, on n’avait fait qu’une seule collision de particules, il aurait été très difficile, et même impossible, de détecter le boson de Higgs mais on aurait quand même pu dire des choses et probablement exclure des modèles farfelus. C’est un peu équivalent : on n’a qu’un seul échantillon, ce n’est pas beaucoup mais ce n’est pas rien non plus.

Et quand bien même le multivers ne serait pas scientifique au sens d’une définition de la science spécifique, élaborée à un instant spécifique de l’histoire, il ne faudrait pas en avoir peur. Certes, il est important d’être prudent en sciences. Il y a une exigence de rigueur et de rationalité qu’il n’est pas question de déconstruire. Mais il ne faut pas non plus pécher par excès de conservatisme. Sans audace, il n’y aurait eu aucune grande révolution scientifique. Et quand il y a une révolution, elle concerne ce qui est dit mais aussi la manière de le dire. En science, trouver les règles fait partie du jeu. Les règles ne sont pas du tout figées dans la marbre. Heureusement, on ne fait plus aujourd’hui de la science comme à l’époque de Galilée. Donc, quand bien même le multivers redéfinirait un peu ce qu’est la science – ce que je ne crois pas – ce n’est pas une raison pour invalider la démarche a priori. S’il y avait une petite transgression des règles, ça ne serait pas si grave. Mais bien-sûr, il faudrait aussi avoir l’humilité de faire machine arrière si la démarche s’avère infructueuse … Il est toujours difficile pour un chercheur de renoncer à une idée. Il faut faire preuve d’humilité, c’est difficile, mais essentiel.

Le multivers ne remet-il pas en question le Big Bang ?

Big bang est une expression polysémique. Une première acception désigne le scénario d’un univers en expansion qui dans le passé était beaucoup plus dense, beaucoup plus petit, beaucoup plus chaud. Le fait que tout ce que l’on voit aujourd’hui dans l’Univers était contenu dans une sphère plus petite qu’une tête d’épingle, est pour moi acquis. Mais dans une seconde acception, Big Bang désigne aussi une sorte de singularité, un moment où les grandeurs physiques deviennent infinies. Ce second sens est plus complexe et spéculatif. Notre scénario de l’Univers est donc fondé sur une théorie qui ne fonctionne plus à l’instant initial. Ainsi, à la question élémentaire, "le Big Bang a-t-il vraiment eu lieu ?", nous n’avons aucune réponse aujourd’hui. L’apparition ex nihilo de l’espace et du temps est un concept qui dépasse la raison. C’est ce que prédit la relativité générale d’Einstein mais avec la théorie des cordes, la théorie de la gravité quantique, de nouvelles visions émergent. On ignore si elles sont justes mais elles conduisent à revoir l’idée même de Big Bang et à envisager d’autres solutions, par exemple une phase de contraction de l’Univers ayant précédé l’état actuel d’expansion.

Peut-on voir un trou noir ?

Les trous noirs ont longtemps été considérés comme de simples concepts théoriques dénués de réalité physique. Aujourd’hui, leur existence ne fait plus question ; ils font partie du bestiaire de l’astrophysicien. Comme ils sont très petits et très sombres (sauf dans le cas des quasars), il est difficile de les observer. L’horizon d’un trou noir, sa surface n’a aucune matérialité : c’est un pur objet mathématique. Mais, en science, appréhender un objet, ce n’est pas forcément le voir.

On peut estimer à plusieurs centaines de millions le nombre de trous noirs présents dans notre seule galaxie, la Voie Lactée. On sait même, de façon quasi certaine, qu’il y a au centre de notre Galaxie, à 26 000 années lumières de la Terre – ce qui est très petit à l’échelle de l’Univers et très grand à l’échelle du système solaire – un trou noir, qu’on a appelé Sagittarius A*, de 4 millions de fois la masse du soleil. Ce trou noir est parfaitement « visible » de par les effets qu’il a sur son environnement. C’est en fait une indication tout aussi forte que si on le voyait sens strict.

Néanmoins, nous devrions effectivement prochainement pouvoir voir Sagittarius A* au sens banal du terme. En faisant fonctionner en réseau, en interférométrie, un grand nombre de radiotélescopes à la surface de la Terre, nous pouvons simuler un radiotélescope géant qui aurait la taille de la Terre elle-même. Et c’est exactement la résolution dont nous avons besoin pour bien voir ce trou noir. On peut donc espérer dans quelques années disposer des premières photographies d’un trou noir. On s’attend à des effets visuels très beaux. Car un trou noir, ce n’est pas seulement un disque qui obstrue le ciel d’arrière-plan, c’est aussi un objet qui déforme l’espace. Cela aura des conséquences sur l’image, qui seront remarquables et que l’on va pouvoir vérifier. En parallèle, les ondes gravitationnelles, véritables petites vibrations de l’espace que l’on sait mesurer depuis quelques années, vont continuer de révéler les secrets des trous noirs.


Propos receuillis par Géraldine Fabre. Une version raccourcie de cet entretien a été publié dans le #6 du magazine (H)auteurs. crédit photo : UGA / Thierry Morturier