Le blog de mc2est-cesuffisant

Pas croyable... Découverte d’un trésor…

C’est un florilège de titres d’articles dithyrambiques qui ont été publiés en concert le 02 septembre. Ces articles annoncent qu’’Anthrôpos n’a pas fini de creuser…’ et qu’Homo-Sapiens n’est pas près d’avoir une pensée scientifique enfermée par des limites car ce qui a été décrypté et annoncé remet en cause un savoir en astrophysique considéré abusivement établi.

Les derniers articles que j’ai postés indiquaient que de nombreuses compréhensions récentes nous disaient que l’univers-contenant était à revoir sérieusement parce que le scénario du Big Bang et ce qui rationnellement semblerait en découler présente des failles significatives. Toutefois les ayatollahs du modèle standard de la cosmologie continuent de mettre des rustines parce que ce modèle standard est toujours intellectuellement, pour eux, confortable.

A l’unisson les articles du 2 septembre reconnaissent que le contenu supposé de l’univers ne répond pas à la croyance établie en ce qui concerne les critères théoriques attribués à l’ensemble de la famille des trous noirs et relatifs aux différents processus de leurs formations.

C’est une ère nouvelle autant théorique que d’observations qui s’ouvre en astrophysique voir en cosmologie. Je vais tenter de vous proposer ci-dessous une synthèse de toutes les perspectives qui sont sous la lumière de cette ère nouvelle.

La source d'ondes gravitationnelles GW190521 (ondes enregistrées sur LIGO et Virgo le 21 Mai 2019) est à ce jour la plus lointaine détectée puisqu'elle s'est produite à environ 7 milliards d'années-lumière de la Voie lactée. Les détecteurs ont en effet révélé qu'il s’agissait de la fusion de deux trous noirs, respectivement de 85 et 65 fois la masse du Soleil environ. Le produit final de cette fusion serait un trou noir de 142 masses solaires, ce qui veut dire que c'est l'équivalent de presque huit masses solaires qui ont été converties en rayonnement gravitationnel pur.

Cette source est Atypique, il semble qu'elle soit quand même le produit de la fusion de deux trous noirs et surtout qu'il en aurait résulté la formation du premier trou noir de masse intermédiaire (IMBH) directement détecté, contenant 142 masses solaires. Mais il ne faut pas exclure qu’il pourrait s’agir de tout autre chose…

En effet, les astronomes ont détecté la collision la plus puissante, la plus lointaine et la plus déroutante des trous noirs à l’aide d’ondes gravitationnelles. Parmi les deux mastodontes qui ont fusionné lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel, au moins un — pesant 85 fois plus que le Soleil — a une masse que l’on croyait trop grande pour être impliquée dans un tel événement. Et la fusion a produit un trou noir estimé de près de 150 masses solaires, le plaçant dans une gamme où aucun trou noir n’avait jamais été vu de façon concluante auparavant.

« Tout ce qui concerne cette découverte est ahurissant », explique Simon Portegies Zwart, astrophysicien à l’Université de Leiden aux Pays-Bas. En particulier, dit-il, il confirme l’existence de trous noirs de « masse intermédiaire » : des objets beaucoup plus massifs qu’une étoile typique, mais pas aussi grands que les trous noirs supermassifs qui habitent les centres des galaxies.

Deux aspects rendent cet événement exceptionnel. Tout d’abord, la taille de l’ancêtre plus grand (85 masses solaires) tombe dans un « l’écart » où les trous noirs ne sont pas censés se former par des mécanismes conventionnels. Deuxièmement, la détection du reste de masse solaire de 142 est la première observation directe d’un trou noir de masse intermédiaire (IMBH) — une classe de trous noirs avec des masses entre cent et des dizaines de milliers de masses solaires.

Selon les équations d’Einstein, les trous noirs peuvent avoir n’importe quelle masse (sic, cela est vrai). Cependant, dans notre Univers, les trous noirs d’une certaine masse ne peuvent exister que s’il existe un processus astrophysique pour les créer. L’effondrement d’étoiles massives fournit une voie clé à la formation de trou noir qui impose certaines contraintes sur les masses prévues de trou noir.

Un trou noir de masse stellaire se forme lorsqu’une étoile meurt dans une explosion spectaculaire de supernova. L’explosion se produit une fois que la fusion nucléaire a transformé la majeure partie du noyau de l’étoile en fer. À ce stade, l’étoile est hors de combustible nucléaire, et son noyau commence à s’effondrer sur lui-même. Si la masse stellaire est supérieure à une certaine valeur (estimée à au moins 2,17 masses solaires), son noyau est condamné à s’effondrer dans un trou noir. Les trous noirs formés de cette façon peuvent avoir un large éventail de masses, mais seulement jusqu’à une valeur maximale définie par ce qu’on appelle ‘la paire-instabilité’.

‘La paire-instabilité’ est un phénomène qui draine l’énergie d’une étoile grâce à la production de paires d’électrons-positrons. Dans une étoile chaude, le noyau produit des rayons gamma qui exercent une « pression de (radiation) de photons » sur les couches stellaires extérieures, s’opposant ainsi à l’attraction gravitationnelle. Si le noyau de l’étoile est plus grand qu’environ 65 masses solaires, cependant, les rayons gamma se convertissent efficacement en paires électron-positron, et en conséquence la pression de radiation des photons diminue. Les couches extérieures s’effondrent alors vers l’intérieur, la combustion nucléaire s’accélère d’une manière galopante et l’étoile explose sans laisser derrière elle aucun reste de trou noir. Ce mécanisme convient jusqu’à environ 135 masses solaires, au-delà desquelles l’étoile s’effondre directement dans un trou noir. La paire-instabilité crée ainsi un écart de masse entre 65 et 135 masses solaires, où les trous noirs ne sont pas théoriquement attendus. Jusqu’à présent, aucun des trous noirs progéniteurs détectés par LIGO et Virgo ne s’est trouvé dans cet écart.

Faut-il revoir la théorie des supernovas pour des étoiles massives ? Pas nécessairement parce qu'un trou noir de 142 masses solaires est précisément ce que l'on appelle un trou noir de masse intermédiaire, compris entre une centaine et quelques centaines de milliers de masses solaires tout au plus. Or, il existe des scénarios de fusion à répétition de trous noirs stellaires et de capture pour former des systèmes binaires qui permettraient de faire naître des astres compacts de ces masses. C'est d'autant plus intéressant que l'on s'interroge sur la possibilité de faire naître les trous noirs supermassifs, qui dépassent les quelques centaines de milliers de masses solaires, justement par fusion de trous noirs de masses intermédiaires. Leur croissance viendrait ensuite dans l'Univers observable jeune des courants froids de matière dans le cadre du paradigme devenu dominant de la croissance des galaxies et des trous noirs supermassifs qu'ils hébergent.

Il existe une autre possibilité fascinante, les trous noirs détectés par Ligo et Virgo pourraient être la pointe émergée d'une population de trous noirs primordiaux nés pendant le Big Bang. Cette population pourrait même contribuer à résoudre l'énigme de la nature de la matière noire. Ce qui est sûr, c'est que nous sommes devant la première preuve directe de l'existence de trous noirs intermédiaires, les précédentes étant indirectes et via le rayonnement électromagnétique.

Dans un communiqué du MIT, Alan Weinstein, membre de Ligo et professeur de physique à Caltech, se prononce : « Cet événement ouvre plus de questions qu'il n'apporte de réponses ». Weinstein précise que : « Depuis que nous avons activé Ligo pour la première fois, tout ce que nous avons observé avec crédibilité a été une collision de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. C'est le seul cas où notre analyse permet la possibilité que cet événement ne soit pas une telle collision. Bien qu'il soit cohérent avec une fusion de trous noirs binaires exceptionnellement massive et que les explications alternatives soient défavorisées, il repousse les limites de notre connaissance. Et cela le rend potentiellement extrêmement excitant. Parce que nous avons tous espéré quelque chose de nouveau, quelque chose d'inattendu, cela pourrait remettre en question ce que nous avons déjà appris (sic). Cet événement a le potentiel de le faire. »

Citons aussi ce que pense Jean-Pierre Luminet de cette découverte :  « Je ne suis pas convaincu qu'il faille parler de trou noir de masse intermédiaire (IMBH), (pour moi c'est au-dessus de 1.000 masses solaires) en lieu et place de trous noirs stellaires exceptionnellement massifs. Pour expliquer la formation de ces derniers je ne crois guère à des fusions successives de petits trous noirs stellaires, qui me semblent bien improbables (ne parlons même pas des cordes cosmiques, éliminées depuis belle lurette avec la débandade des théories supersymétriques), je privilégierai les trous noirs primordiaux (sic, moi-même je serais plutôt en phase avec cette hypothèse), formés moins d'une seconde après le Big Bang dans cet intervalle de masse (sans compter les bien plus massifs formés quelques secondes plus tard, qui permettraient de rendre compte des premiers quasars). Sans oublier, non plus  la possibilité de trous noirs de 50-100 masses solaires formés par effondrement gravitationnel d'étoiles très massives car de première génération et de très faible métallicité, et qui ne se seraient pas forcément désintégrées par instabilité de paires ».

En final de cet article, je vous propose la traduction par mes soins de quelques extraits du suivant obtenu dans Physics.aps.org, annonçant un avenir prometteur : ‘Gravitational-Wave Astronomy Stills in its Infancy’ ; ‘L’astronomie des ondes gravitationnelles est encore à ses débuts’ et en sous-titre : « Les détecteurs d’ondes gravitationnelles ont à peine effleuré la surface du trésor de découvertes qu’ils peuvent produire. »

« Une nouvelle ère en physique fondamentale et en astronomie

LIGO et Virgo ont été construits pour observer les ondes gravitationnelles émises par la fusion de binaires compacts, tels que deux trous noirs ou deux étoiles à neutrons. Et ces types de fusions sont les seuls événements que les détecteurs ont repéré en toute confiance dans les deux premières séries d’observation. Ces détections ont permis aux scientifiques de réaliser d’importantes découvertes astrophysiques, dont certaines ont ébranlé la sagesse établie.

L’une des premières découvertes est que les ondes gravitationnelles voyagent à la vitesse de la lumière. Ce résultat, bien qu’il soit compatible avec la Relativité Génerale, pose un défi pour les théories de la gravité inspirées par l’énergie sombre parce que ces théories exigent que les ondes gravitationnelles se déplacent à des vitesses plus lentes (sic). Une autre avancée sur le terrain a été l’observation que les fusions binaires d’étoiles à neutrons sont des ancêtres des sursauts gamma, dures, et courts, résolvant ainsi un puzzle vieux de plusieurs décennies sur l’origine de ces événements astrophysiques transitoires de haute énergie. Et puis, comme annoncé aujourd’hui, LIGO et Virgo ont repéré un trou noir qui se trouve dans le soi-disant écart de masse où aucun trou noir n’était censé se former à cause de la théorie de la ‘Paire-Instabilité’. Ainsi, cette détection remet en question les modèles astrophysiques actuels qui prédisent la formation des grands trous noirs et les environnements dans lesquels ils se forment.

 Considérés dans leur ensemble, ces progrès résolvent de vieilles questions, remettent en question ce que nous pensions savoir sur les processus fondamentaux de l’évolution stellaire, et jettent des doutes sur les solutions proposées aux problèmes actuels en astrophysique observationnelle.

Les observatoires du futur

Au cours des prochaines années, les mises à niveau prévues de LIGO et de Virgo devraient donner lieu à une multiplication de 5 à 10 fois le taux de détection des fusions binaires compactes. L’activation d’autres détecteurs d’ondes gravitationnelles pourrait également augmenter ce taux. KAGRA au Japon, premier détecteur d’ondes gravitationnelles en Asie et premier détecteur à être construit sous terre, a récemment commencé ses opérations…!?. LIGO et Virgo seront également bientôt rejoints par LIGO-India, dont la construction a commencé cette année. (LIGO-India utilise l’instrumentation développée par LIGO). On espère que LIGO-India sera opérationnelle après 2025.

D’autres améliorations et installations sont également à l’étude. Par exemple, une mise à niveau sur les sites LIGO existants, appelée LIGO-Voyager, vise à accroître la sensibilité du LIGO avancé, ce qui entraîne une augmentation d’un facteur 8 de la couverture en volume et donc une augmentation similaire du taux de détection. Il y a aussi le télescope européen Einstein (ET), qui a été initialement conçu en 2008 et qui est actuellement à un stade avancé de conception. Le projet ET est la proposition d’un observatoire souterrain qui abrite trois détecteurs en forme de V aux coins d’un triangle équilatéral avec des côtés de 10 km de long. Et puis il y a des idées pour le ‘Cosmic Explorer’ aux États-Unis, dont les bras seraient 10 fois la longueur de ceux de LIGO, et puis NEMO en Australie, qui ciblerait les signaux post-fusions des étoiles à neutrons binaires. Ensemble, ces nouvelles installations seront en mesure de détecter les événements jusqu’au bord même de l’Univers observable (sic). Ils enregistreront également les signaux de l’univers proche avec une fidélité plus élevée qu’il est actuellement possible.

Plus d’installations aideraient également à identifier l’endroit exact à partir duquel les ondes gravitationnelles émanent. Avec KAGRA et LIGO-India en fonctionnement, les chercheurs pourraient enregistrer un « coup quintuple » — les mêmes ondes déformant les cinq détecteurs. Cela permettrait aux astronomes de regarder plus facilement les fusions avec des télescopes conventionnels, réduisant la zone du ciel qu’ils auraient besoin d’examiner d’un facteur 4. Ces observations multimessages pourraient révéler beaucoup plus d’informations sur la nature et le comportement des sources que celles qui peuvent être glanées à partir des seuls détecteurs d’ondes gravitationnelles.

Questions sur l’astronomie GW de la nouvelle génération

Au fur et à mesure que de nouveaux observatoires, tels que l’ET ainsi que l’Explorateur cosmique, seront mis en ligne, les observatoires d’ondes gravitationnelles sauteront de la surveillance de l’Univers proche à l’arpentage de l’Univers entier pour les fusions de trous noirs. Cet accroissement permettra aux détecteurs de remonter plus loin dans l’histoire et de capturer les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons à partir d’époques où la formation d’étoiles n’en était qu’à ses balbutiements.

Il est difficile de délimiter les découvertes que cette avancée pourrait permettre et le potentiel qu’elle offre pour percer les remarquables mystères de l’Univers, ainsi que pour découvrir de la nouvelle physique et des nouveaux phénomènes astronomiques. Par exemple, les générations futures d’observatoires d’ondes gravitationnelles terrestres peuvent permettre aux chercheurs de déterminer l’équation d’état de la matière à densité la plus élevée, de détecter la matière noire autour des trous noirs et de tester des théories modifiées de la gravité. Nous allons maintenant décrire ces possibilités en détail :

Gravité extrême et physique fondamentale : Les ondes gravitationnelles émanent de régions de l’espace-temps avec une gravité forte et une grande courbure de l’espace-temps et transportent avec elles des informations non corrompues sur leurs sources. La nature de la source, ses caractéristiques physiques (telles que les masses des objets en collision) et les propriétés de l’environnement dans lequel réside la source sont imprimées dans le signal.

La détection des sources avec les nouveaux observatoires pourrait soumettre la Relativité Générale à des tests les plus contraignants à ce jour et pourrait aider à explorer les violations potentielles de la théorie avec des champs (gravitationnels) forts. Par exemple, les observations pourraient révéler de nouvelles particules et des champs qui violent le principe d’équivalence fort, qui, rapidement parlant, prédit que la chute libre simule avec précision les conditions de gravité zéro dans tous les référentiels inertiels. Les chercheurs pourraient également découvrir des violations de l’invariance de Lorentz (une symétrie fondamentale dans la relativité) ou détecter des polarisations d’ondes gravitationnelles (le modèle caractéristique de la distorsion de l’onde de l’espace-temps) qui ne sont pas prédites par la RG. Nous pourrions aussi déduire des signatures de gravité quantique. Par exemple, certaines théories de la gravité quantique prédisent les configurations pseudoscalaires des ondes gravitationnelles qui violent la parité (une symétrie fondamentale qui dit que la physique d’un système et de son image miroir devrait être la même), tandis que d’autres prédisent des ondes gravitationnelles biréfringentes. Les observatoires de nouvelle génération pourraient également détecter les champs bosoniques ultralégers proposés dans certaines extensions du modèle standard. Les preuves de ces champs devraient provenir de la dynamique orbitale des binaires de trou noir ou des propriétés de spin des trous noirs.

  Matière extrême et environnements extrêmes : D’autres systèmes astrophysiques que les physiciens pourraient explorer avec de nouveaux détecteurs sont les étoiles à neutrons, qui sont les objets les plus denses de l’Univers et qui ont des champs magnétiques jusqu’à des milliards de teslas de magnitude. Six décennies après leur découverte, nous ne comprenons toujours pas pleinement l’équation d’état des noyaux de ces étoiles, et nous ne connaissons pas l’origine de leurs grands champs magnétiques. Ces champs pourraient déformer une étoile à neutrons, ce qui provoquerait l’émission d’ondes gravitationnelles, ce que les futurs observatoires pourraient découvrir.

Lorsque deux étoiles à neutrons sont prises dans une spirale entrante binaire et fusionnent, elles se soumettent à des champs de marée. L’état de la matière du noyau de chaque étoile détermine l’ampleur de sa déformation des marées, ce sont des informations qui devraient être imprimées dans les ondes gravitationnelles émisent. En outre, la fusion des étoiles pourrait laisser derrière elle une étoile à neutrons hypermassive de courte durée, un objet qui se forme à la suite d’une fusion binaire d’étoiles à neutrons et, pendant quelques dizaines de millisecondes, est soutenue par une rotation contre l’effondrement en raison de sa propre gravité. Le rayonnement gravitationnel émis par cette étoile à neutrons hypermassive pourrait également révéler une physique inconnue sur l’état de la matière ultra-haute densité et si cette matière est composée d’un plasma quark-gluon.

Le suivi électromagnétique des observations d’ondes gravitationnelles offrira des occasions de faire la lumière sur l’origine des éléments du processus-r, qui se forment lorsqu’un noyau grandit en capturant rapidement plusieurs neutrons (voir Point de vue : Out of the Neutron Star Rubble Comes Gold). Trouver l’origine des éléments lourds dans l’Univers est un problème de longue date. L’observation électromagnétique de GW170817 a fourni la première preuve irréfutable que les fusions binaires d’étoiles à neutrons produisent des lanthanides et d’autres éléments lourds. Mais beaucoup plus d’observations sont nécessaires pour confirmer si les fusions seules expliquent l’abondance d’éléments lourds dans l’Univers ou si d’autres canaux de production sont nécessaires.

Trous noirs à partir du bord de l’Univers : Les observatoires de nouvelle génération traceront un recensement complet des trous noirs de masse stellaire à partir du temps présent jusqu’à ce que l’Univers n’ait que quelques centaines de millions d’années et que se formaient et se rassemblaient ses premières étoiles. Ce recensement fournira des renseignements clés sur la taille des trous noirs et permettra aux chercheurs de découvrir comment ces objets se forment et se développent.

Il y a de plus en plus de preuves que des trous noirs massifs existent au centre de toutes les galaxies. Les masses de ces trous noirs (souvent appelés trous noirs supermassifs) varient de 10⁵ à 10¹⁰ fois celle du soleil et leur taille est largement corrélée avec celle de la galaxie hôte. Mais nous ne savons pas comment ces trous noirs se sont formés ni comment ils sont devenus si énormes. Le modèle de fusion dit hiérarchique postule que ces trous noirs massifs ont d’abord été ensemencés par de lourds trous noirs de masse stellaire, qui ont ensuite fusionné en trous noirs plus grands. Un modèle alternatif suggère que des trous noirs massifs ont été ensemencés par l’effondrement direct de nuages de gaz massifs. Une troisième théorie intrigante spécule que des trous noirs massifs se sont formés dans l’Univers primordial et ont conduit à l’effondrement de la matière noire et des baryons, déclenchant la formation de galaxies. Les données LIGO et Virgo sont jusqu’à présent insuffisantes pour confirmer l’un ou l’autre de ces modèles, mais les informations supplémentaires provenant des futurs observatoires, y compris les masses des premiers trous noirs dans l’Univers et la vitesse à laquelle les fusions se produisent, pourraient identifier l’origine des trous noirs supermassifs.

La cosmologie et l’histoire primordiale de l’Univers : la cosmologie du Big Bang est en grande partie compatible avec la RG, mais l’expansion accélérée de l’Univers dans son histoire récente ne peut pas être expliquée par la théorie d’Einstein. Ce problème indique soit une défaillance de la théorie, soit la présence d’une forme d’énergie exotique, encore inconnue appelée énergie noire. En outre, les observations de l’échelle galactique à l’échelle du cosmos fournissent des preuves indirectes d’une forme exotique de matière, appelée matière noire, mais nous manquons encore de preuves directes pour ces deux choses.

Les futurs observatoires pourraient aider à détecter directement la matière noire autour des trous noirs et autour des étoiles à neutrons. La présence de matière noire pourrait modifier la rotation d’un trou noir. Elle pourrait également modifier la dynamique orbitale des trous noirs binaires. Alternativement, la matière noire pourrait provoquer l’implosion des étoiles à neutrons, faisant des trous noirs de masse solaire qui ne peuvent se former d’aucune autre manière. En outre, avec la détection d’une plus grande population de fusions binaires compactes, et avec des observations électromagnétiques de suivi des décalages rouges des fusions, il sera possible de mesurer avec précision les paramètres cosmologiques, tels que le paramètre Hubble, les densités de matière noire et d’énergie sombre, et l’équation d’état de l’énergie sombre. Ces mesures sont possibles puisque les fusions binaires compactes sont ce que l’on appelle les sirènes standards dont la luminosité peut être utilisée pour apprécier leurs distances. Et comme la RG détermine complètement la luminosité, aucune modélisation astrophysique n’est nécessaire dans de telles mesures. Ces résultats fourniront une mesure totalement indépendante et complémentaire de la dynamique de l’Univers.

Des détecteurs plus sensibles pourraient également capter les ondes gravitationnelles dites stochastiques, qui devraient avoir été produites au début de l’Univers. Comme l’Univers a refroidi à partir de son état primitif chaud et dense, il est censé avoir subi plusieurs transitions de phase qui pourraient avoir généré un signal de fond d’onde gravitationnelle. La détection de ce fond d’onde transformerait considérablement notre connaissance de la physique des particules à des échelles énergétiques inaccessibles aux accélérateurs terrestres. On prévoit également que les ondes gravitationnelles stochastiques émanent de « cordes cosmiques », des défauts topologiques 1D hypothétiques associés à une transition de phase de rupture de symétrie dans l’Univers primitif.

Sources à la frontière des observations : Enfin, les futurs observatoires pourraient aider à comprendre le comportement des supernovas, des pépins stellaires et des tremblements d’étoiles, trois phénomènes astrophysiques mal compris. Ces systèmes devraient générer des ondes gravitationnelles qui pourraient être détectables avec des détecteurs plus sensibles. Les observations multimessages combinant des observatoires gravitationnels avec des télescopes électromagnétiques et avec des observatoires de neutrinos, nous permettront de sonder différents aspects de ces événements astrophysiques extrêmes.

En résumé, l’astronomie des ondes gravitationnelles promet de répondre à des questions clés en physique et en astronomie dont les solutions pourraient considérablement améliorer notre compréhension de l’Univers. Avec ces récompenses potentielles massives, les exemples scientifiques pour la construction de nouveaux détecteurs sont extrêmement convaincants.

A chacun sa propre lecture du ‘Fond diffus cosmique micro-ondes’

Récemment, le 22/o7, j’ai posté l’article : ‘Anthrôpos ne cessera de creuser’ dans lequel je rapportai, entre autres, qu’avec le Télescope de Cosmologie d’Atacama (ACT), ayant cartographié le fond cosmique micro-ondes, il était confirmé les résultats du satellite Planck à propos de la constante de Hubble relative à l’univers primordial. Ce résultat n’est pas surprenant car les outils théoriques et partant les algorithmes pour décrypter le rayonnement fossile et déterminer la constante de Hubble (H) sont identiques dans les deux cas. On est convaincu depuis plusieurs années que les résultats donnés par l’équipe Planck sont fiables et ACT vient à nouveau le confirmer. Ainsi, A. Riess a pu applaudir, à juste raison, la qualité du travail des expérimentateurs et en même temps laissé entendre que, selon lui, le modèle standard de la cosmologie est faux : « Mon instinct (sic) me dit qu’il se passe quelque chose d’intéressant. »

            Rappelons-nous que la première image du fond diffus cosmique micro-ondes fut obtenue par hasard à la fin des année 1970. L’humanité n’avait jamais observé une ‘photographie’ aussi profondément lointaine dans le temps passé de l’univers. Sondes, satellites, ballons sondes, bolomètres, ont été depuis envoyés dans l’espace pour recueillir le maximum de détails relatifs à cette première image (qui est encore, aujourd’hui, première image possible, accessible, de l’univers pour l’humanité.) C’est donc à partir de ce référentiel de signes à décrypter qu’il fut imaginé et conçu, avec les outils scientifiques théoriques disponibles, l’histoire de ce qui a pu se produire jusqu’à ce que cette empreinte se soit formée (380.000 ans après le Big Bang) dont sa relique occupe tout l’espace du passé de l’univers jusqu’à aujourd’hui[1]. C’est à partir de cette première image restituée que les physiciens ont théorisé une origine de l’univers sous forme d’avènement Big Bang, à partir de rien, 380.000 ans avant celle-ci. Entre le temps zéro de l’univers et 380.000 ans toute une chronologie, d’événements, de surgissements de propriétés, de produits, a été scientifiquement élaborée pour que ce qui est décrypté dans le rayonnement fossile et ce qui est conçu coïncident. L’inflation primordiale a aussi été accepté pour rendre compte du constat que notre espace est euclidien (plan). En à peine deux décennies c’est une extraordinaire machinerie naturelle qui a été inventée, dont la communauté scientifique éprouvait, à juste raison, de la fierté.

            La gravité quantique à boucles (LQG), a été développée sur une base totalement théorique, c’est-à-dire que ses inventeurs[2] se sont donnés pour objectif de construire la version quantique de la Relativité Générale, puis ensuite la confronter à la connaissance acquise et que nous continuons d’acquérir de l’univers primordial. Dans cette entreprise la gravité quantique à boucles étend son domaine de référence et devient la cosmologie quantique à boucles (LQC). C’est donc avec un recul intellectuel que les physiciens adeptes de la LQC testent leur théorie en regard de la première image de l’univers car celle-ci ne constitue pas leur calibre de vérité. Cette lecture différente qu’ils peuvent avoir du rayonnement fossile est très certainement utile. Ainsi leur interprétation des quatre anomalies recensées ne doit pas être ignorée par les autres non adeptes de la LQC.

            Il n’y a pas que A. Riess qui pense que le modèle standard de la cosmologie est moribond car les progrès de l’observation grâce à des instruments de plus en plus performants mettent en évidence des écarts significatifs entre ce que l’on observe et ce que l’on pensait être finalement établi. L’article que j’ai recueilli dans PhysicsWorld le 17/08, amène à réfléchir à ce propos. En aucun cas, il n’est nécessaire d’être un(e) adepte de la LQG et de LQC pour lire avec intérêt cet article traduit par mes soins.

            En lisant cet article, nous devons avoir présent à l’esprit qu’actuellement il y a la conviction que la première image de l’univers fournie par le satellite Planck, après celle de WMAP : 15 ans plus tôt, contient certaines informations que, présentement, nous ne sommes pas capables de décrypter, car trop ténues. Il n’existe pas de projet possible de concevoir un satellite ou une sonde plus performant soit pour des raisons technologiques et/ou financières. Le recours actuel c’est : ‘Une Avancée Théorique’. Le laboratoire actuel pour tester cette Avancée, n’est rien d’autre que l’histoire que l’on prête et que l’on prêtera à notre univers.

‘Les anomalies micro-ondes renforcent le cas de la cosmologie quantique à boucles, disent les physiciens’

Article sur le site ‘PhysicsWorld’ le 17 août 2020

 Qu’a vu le satellite Planck : le ‘Fond diffus cosmique micro-ondes’ abrite-t-il des preuves en faveur de la cosmologie quantique à boucles ?

Une théorie de la gravité quantique qui décrit l’univers comme commençant par un « Big Bounce », « Grand Rebond », plutôt qu’un Big Bang a réussi à expliquer plusieurs anomalies dans le rayonnement du fond diffus micro-ondes cosmique (CMB) encore appelé tout simplement : rayonnement fossile.

La gravité quantique à boucles, (Loop quantum gravity : LQG) est une alternative à la théorie des cordes et décrit l’espace lui-même comme étant quantifié aux plus petites échelles, connues sous le nom de longueur de Planck, d’environ 10^-35m. Selon la LQG, l’espace ne peut pas être réduit en dessous de cette valeur, et l’application de LQG à l’Univers plus large est connue sous le nom de cosmologie quantique à boucles, (Loop quantum cosmology : LQC).

Dans la cosmologie standard du Big Bang, si nous faisions reculer l’histoire de l’univers pour qu’il s’effondre plutôt que de s’étendre, l’univers se contracterait en une singularité inconnaissable. Cependant, dans la LQC, l’univers qui s’effondre, cesserait de s’effondrer à la longueur de Planck, puis rebondirait. Cela suggère que si la LQC est correct, il n’y avait pas de singularité Big Bang, mais un Grand Rebond résultant de l’effondrement d’un univers précédent (sic).

Caractéristiques anormales

Maintenant, une nouvelle recherche menée par une équipe dirigée par Abhay Ashtekar à l’Université d’État de Pennsylvanie, a constaté que la LQC peut expliquer plusieurs anomalies dans le CMB qui n’ont pas pu être expliquées dans le cadre d’autres théories. La recherche est décrite dans le ‘Physical Review Letters’.

Les travaux portent sur deux anomalies. L’une concerne le spectre de puissance[3] du CMB, qui trace les minuscules variations de température dans le CMB par rapport à leur taille angulaire. L’autre anomalie étudiée concerne l’amplitude de l’effet de lentille gravitationnelle, c’est-à-dire le degré par lequel la lumière CMB a été gravitationnellement modifiée pendant qu’elle a voyagé à travers l’univers. L’effet lentille gravitationnelle est le résultat de la distribution et de la densité de matière qu’elle traverse, qui à son tour est reliée aux fluctuations quantiques qui ont ondulé à travers l’univers très tôt, avant l’inflation.

Si la LQC est correct, alors le Grand Rebond devrait avoir influencé les propriétés du CMB. En particulier, la LQC décrit comment, au moment du Grand Rebond, la courbure de l’espace-temps était plus grande qu’à tout autre moment de l’histoire cosmique.

« La cosmologie quantique à boucles prédit une valeur spécifique pour la courbure au rebond, » Ashtekar dit à Physique World : « Cette valeur est essentielle pour obtenir ce que nous voyons, à savoir qu’il y a certaines modifications de l’inflation, précisément à ces grandes échelles angulaires, qui proviennent de la nature spécifique de la cosmologie quantique à boucles. »

Empreinte du Grand Rebond

La grande courbure de l’espace au Grand Rebond imprime des fluctuations spécifiques dans le CMB qui sont d’une longueur d’onde beaucoup plus grande que la taille de l’univers visible, et donc nous ne pouvons pas les détecter directement. Cependant, ils sont également en corrélation avec des modes de longueur d’onde plus petits qui ont un effet perceptible sur le CMB, sous la forme d’anomalies apparentes que le modèle du Big Bang ne peut pas expliquer adéquatement.

Il y a six paramètres fondamentaux qui déterminent ce que nous voyons lorsque nous regardons en arrière du fond diffus cosmique. Deux de ces paramètres sont primordiaux, relatifs à la fin de l’inflation, et leurs valeurs influencent le spectre de puissance fond diffus (CMB). Deux autres se rapportent à l’époque entre la fin de l’inflation, quand l’univers avait environ 10^-32s, et le moment où la lumière du CMB a été émise, environ 379.000 ans plus tard. Les deux derniers paramètres décrivent ce qui se passe entre le moment où le CMB a été émis, et maintenant. Bien que le modèle standard de la cosmologie Big Bang soit capable de déterminer les valeurs de ces paramètres, la LQC modifie leurs valeurs de telle sorte que les anomalies sortent naturellement des données en tant que produits de l’empreinte de cette courbure extrême au Big Bounce.

« C’est assez étonnant qu’avec ces six paramètres, les cosmologistes soient en mesure de prédire ce que nous voyons aujourd’hui », dit Ashtekar.

Une troisième anomalie est hémisphérique – les deux hémisphères de la CMB ont des énergies moyennes différentes. Les travaux d’Ivan Agullo, de la Louisiana State University, ont déjà été en mesure d’examiner cette anomalie de la même manière, en exploitant les contraintes propres à la LQC. Agullo décrit le travail du groupe d’Ashtekar comme « fantastique », ajoutant : « Cela prouve que les processus physiques qui se produisent dans le passé lointain, avant l’époque inflationniste (sic), peuvent laisser des empreintes observables dans le ciel. »

Une quatrième anomalie – la tension entre les mesures de la constante de Hubble selon que vous la calculez en fonction du CMB ou via les chandelles standards plus locales telles que les supernovae de type Ia – attend toujours une explication. Ashtekar souligne toutefois que le travail d’Alejandro Perez de l’Université d’Aix-Marseille en France fait les premiers pas en utilisant la LQC pour résoudre ce problème.

Anthrôpos ne cessera de creuser.

J’aime à dire fréquemment, pour rendre compte de la situation de l’être humain dans l’univers et de la dynamique qui l’anime et dont il jouit : « Au sein d’une éternité (sic), parmi tous les possibles, Anthrôpos ne cesse de creuser sa connaissance de l’univers qui n’a pas de bornes. » J’ai toujours été réticent au concept de modèle standard car si on peut, en partie, comprendre son utilité opérationnelle, il est malheureusement à mon sens trop souvent évoqué comme un alibi pour borner la pensée sur ce sujet. Si on considère l’histoire de l’humanité et les multiples cosmogonies qui ont jalonné l’évolution de la prise de conscience de l’être humain d’être dans le monde, il est consternant, voire inquiétant, de penser, que nous, à notre époque, nous aurions atteint le sommet de notre développement cérébral. Nous ne représentons pas l’état de l’Homo Sapiens finalisé.

Ci-joints deux articles qui nous offrent autant d’indices que l’enfermement intellectuel induit par le concept de modèle standard, n’a plus, n’aura plus, de raisons d’être.

Le mystère sur l’expansion de l’Univers s’approfondit avec de nouvelles données.

            Dans un article du 15/07/2020, dans ‘Nature’ il est annoncé qu’une nouvelle carte tant attendue du rayonnement fossile du Big Bang ne parvient pas à régler le débat sur la vitesse à laquelle l’Univers est en expansion.

Une nouvelle carte de l’Univers primitif renforce l’énigme de longue date en astronomie quant à la vitesse de l’expansion du cosmos. Les données, recueillies à l’aide d’un télescope dans le désert d’Atacama au Chili, confirment les estimations précédentes de l’âge, de la géométrie et de l’évolution de l’Univers. Mais les résultats entrent en conflit avec les mesures de la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres, et prédisent que l’Univers devrait se développer à un rythme significativement plus lent que ce qui est actuellement observé.

Le télescope de cosmologie d’Atacama (ACT) a cartographié le fond cosmique de micro-ondes (CMB). Les résultats, basés sur les données recueillies de 2013 à 2016, ont été publiés ce 15 juillet.

Les données d’ACT confirment maintenant les conclusions de Planck et produisent une valeur très similaire pour la constante de Hubble. Cet accord entre ACT et Planck sur la constante de Hubble est « une étape vraiment importante », déclare Paul Steinhardt, physicien théorique à l’Université de Princeton. « Je suis très impressionné par la qualité des nouvelles données et leur analyse », ajoute-t-il.

Adam Riess, un astronome de l’Université Johns Hopkins à Baltimore, Maryland, qui a dirigé une grande partie du travail de pointe sur les chandelles standards, dit que l’accord des données ACT avec Planck est « rassurant » et « un témoignage de la qualité du travail des expérimentateurs ».

Mais la tension sur la constante de Hubble demeure. Steinhardt pense que les mesures finiront par converger (sic) au fur et à mesure que les expérimentateurs perfectionneront leurs méthodes.

Mais Riess dit que c’est peut-être, au contraire, le modèle standard de la cosmologie qui est faux (sic). Et il ajoute : « Mon instinct me dit qu’il se passe quelque chose d’intéressant. »

Autre article très intéressant, du 26 juin, de Sean Bailly de ‘Pour la Science’, que je vous communique presqu’en intégral, qui recense très valablement toutes les interrogations et les incertitudes légitimes à propos de ce que l’on appelle la connaissance standard de l’univers. Nous avions pendant les dernières séances du télé-séminaire déjà abordés ces sujets. Voici le titre de l’article :

L’expansion de l’Univers est-elle vraiment isotrope ?

Un des piliers du modèle du Big Bang est que, à grande échelle, l’Univers présente les mêmes caractéristiques dans toutes les directions. Une analyse récente relance le débat sur la solidité de cette hypothèse. 

Dans le modèle du Big Bang, les cosmologistes ont fait deux hypothèses fondamentales : l’Univers est homogène et isotrope à grande échelle. Cela signifie que deux régions de l’Univers prises au hasard sont globalement équivalentes et que le cosmos a un aspect similaire quelle que soit la direction dans laquelle on l’observe. Ces idées naturelles sont d’ailleurs assez bien étayées par les observations. Pourtant, le modèle du Big Bang n’est pas sans défauts, et des chercheurs ont parfois proposé de révoquer l’une de ces hypothèses, voire les deux. Dans des travaux récents, Konstantinos Migkas, de l’université de Bonn, et ses collègues ont étudié des amas de galaxies à partir de données recueillies par les télescopes spatiaux Chandra de la Nasa et XMM-Newton de l’ESA. Ils ont observé des indices qui mettent à mal l’isotropie de l’Univers.

Quand on regarde le ciel nocturne, on voit que les étoiles ne sont pas uniformément réparties sur la voûte céleste, notamment du fait de la présence de la Voie lactée, que l’on voit par la tranche. Mais qu’en est-il à plus grande échelle ? Si l’on examine la distribution des galaxies, on constate que celles-ci se regroupent en amas. Il existe donc des régions riches en matière et d’autres quasiment vides. Mais à encore plus grande échelle, aux échelles cosmologiques, l’Univers paraît en revanche homogène et isotrope, un peu comme lorsqu’on s’éloigne d’un tableau pointilliste et que chaque point de couleur se fond dans une image d’ensemble unie. L’homogénéité et l’isotropie sont des principes fondamentaux et essentiels pour le modèle du Big Bang. Faire ces hypothèses permet d’utiliser une description mathématique assez simple et riche en symétries (en l’occurrence la métrique Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker).

Le modèle du Big Bang est construit sur les prédictions théoriques d’Alexandre Friedmann et de Georges Lemaître dans le cadre de la relativité générale et des premières observations d’Edwin Hubble. Ces travaux ont montré que l’Univers est en expansion. Le cosmos serait né d’un état très dense et très chaud qui se dilate depuis. Une image souvent utilisée pour illustrer cette expansion est celle d’un cake aux raisins en train de cuire. À mesure que la pâte homogène gonfle, les raisins secs s’éloignent les uns des autres au même rythme. Il n’y a pas de zone plus remarquable qu’une autre dans la pâte (si on fait abstraction des bords du moule !) et, en moyenne, autour de n’importe quel point dans la pâte, toutes les directions sont équivalentes. C’est ainsi que les galaxies de l’Univers s’éloignent les unes des autres non pas à cause de leur vitesse propre, mais par la simple dilatation de l’espace qui les sépare. On parle de vitesse de récession.

Cette vision s’est enrichie en 1998. En étudiant des explosions particulières d’étoiles nommées supernovæ de type Ia, l’équipe de Saul Perlmutter, d’une part, et celle d’Adam Riess et Brian Schmidt d’autre part, ont montré que l’expansion de l’Univers accélère depuis environ 7 milliards d’années. Ce résultat a eu un impact retentissant – les trois astrophysiciens ont été récompensés par le prix Nobel de physique en 2011 –, car les cosmologistes pensaient plutôt à l’époque que l’expansion devait ralentir sous l’effet de la force gravitationnelle de la matière contenue dans l’Univers. Le gonflement du cake, au lieu de diminuer comme en fin de cuisson, est de plus en plus rapide ! Pour expliquer cette expansion accélérée de l’Univers, les physiciens ont fait l’hypothèse que celui-ci renferme une grande quantité « d’énergie noire ». La nature précise de cette dernière est inconnue et fait l’objet d’intenses recherches.

Le modèle du Big Bang amendé avec l’ajout de l’énergie noire n’a pas pour autant remis en question l’homogénéité et l’isotropie de l’Univers : l’expansion accélérée paraît identique dans toutes les directions. Les campagnes d’observation systématique du ciel qui ont permis d’analyser les grandes structures de l’Univers et la distribution de la matière semblent confirmer ces hypothèses aux plus grandes échelles.

L’homogénéité remise en question

Cependant, dès le début des années 2000, Thomas Buchert, à l’École normale supérieure de Lyon, a proposé une idée audacieuse. Si l’on prend en compte la non-linéarité des équations de la relativité générale, les hétérogénéités, à l’échelle des galaxies et des amas de galaxies, peuvent avoir un impact sur le comportement de l’Univers, et notamment sur sa vitesse d’expansion. Ces calculs sont très difficiles à mener de façon exacte. Néanmoins, certains résultats partiels laissent à penser que cet effet, dit « de rétroaction », pourrait rendre inutile l’ajout d’énergie noire ! Le futur télescope spatial Euclid devrait fournir des informations précieuses concernant cet effet.

Cette approche met en évidence qu’un Univers homogène seulement à très grande échelle se comporte différemment d’un Univers complètement homogène. Il semble donc raisonnable de se demander si l’Univers est réellement homogène aux plus grandes échelles. Certains cosmologistes explorent cette piste par exemple en supposant que la Voie lactée serait plongée dans une « bulle de Hubble », une vaste région de plusieurs centaines de millions d’années-lumière de diamètre où la densité moyenne est plus faible qu’à l’extérieur. Cette hypothèse permet d’expliquer simplement l’impression que l’expansion de l’Univers accélère.

Si l’Univers n’était pas aussi homogène qu’on le pensait, cela aurait un impact sur l’hypothèse de son isotropie. Plusieurs équipes ont voulu mettre à l’épreuve cette dernière. Mais si certains travaux semblent confirmer l’isotropie, d’autres ne sont pas aussi affirmatifs. Par exemple, en première approximation, le fond diffus cosmologique, le rayonnement fossile émis alors que l’Univers n’avait que 380 000 ans, est identique dans toutes les directions du ciel, avec une température de 2,7 kelvins. Cependant, le fond diffus présente d’infimes fluctuations (de l’ordre de 10^-5 degrés) autour de la température moyenne. Ces fluctuations sont riches en informations. Elles sont liées à des ondes acoustiques qui se propageaient dans le plasma emplissant l’Univers à l’époque ou le rayonnement a été émis. Les photons du fond diffus cosmologique un peu plus chaud proviennent des zones légèrement plus denses, et inversement. Les satellites WMAP puis Planck ont établi une cartographie précise de ces fluctuations. Elles sont relativement bien réparties dans le ciel et leur distribution statistique est assez bien comprise. Cependant, une région exceptionnellement vaste de cette carte, dans la direction de la constellation d’Éridan, dans l’hémisphère Sud, est anormalement froide. Elle résulterait de la présence d’une très grande région pauvre en matière. Cette observation semble indiquer que l’isotropie n’est peut-être pas respectée même aux plus grandes échelles.

Le fond diffus cosmologique est un outil très puissant pour sonder les propriétés de l’Univers. Mais il est très difficile d’en extraire des informations qui dépendent de directions spécifiques, et il repose aussi de façon cruciale sur les paramètres du modèle cosmologique utilisé (sic). Des astrophysiciens ont aussi sondé l’isotropie de l’Univers en s’appuyant sur les supernovæ afin de vérifier si la relation reliant la distance et la vitesse de récession des galaxies était identique dans toutes les directions. Mais les conclusions ne sont pas claires : certaines équipes observent une déviation par rapport à l’isotropie, d’autres non.

Prendre la température des amas de galaxies

Pour en savoir plus, en 2018, Konstantinos Migkas et Thomas Reiprich, de l’université de Bonn, ont proposé une nouvelle technique complètement indépendante. Ils se sont intéressés au gaz chaud au sein des amas de galaxies. L’idée est d’utiliser la relation entre la température d’un amas de galaxies et sa luminosité en rayons X. Une formule assez simple relie ces deux grandeurs. L’avantage de cette approche est que la température peut être déterminée indépendamment de toute hypothèse cosmologique, contrairement à la luminosité. Il est donc possible d’exploiter la relation qui relie ces deux grandeurs pour voir si elle est identique dans toutes les directions du ciel.

Konstantinos Migkas, Thomas Reiprich et leurs collègues ont mis en œuvre cette idée avec un catalogue de 313 amas de galaxies (237 analysés par Chandra et 76 par XMM-Newton). Ils ont constaté que le résultat dépend fortement de la direction du ciel observée ! En d’autres termes, dans une région particulière du ciel, les amas paraissent plus ternes qu’ils ne devraient d’après leur température.

Ces mesures sont néanmoins délicates. « La température mesurée par spectroscopie X dépend de la composition du gaz (de sa métallicité) », explique Florian Pacaud, de l’université de Bonn, qui a aussi participé à l’étude. Cette composition influe sur l’émission globale d’un amas, mais elle ne peut pas être parfaitement contrainte par les observations. « Par conséquent, nous avons eu recours à des suppositions qui pourraient affecter les résultats. Mais il est peu probable que les déviations par rapport à ces suppositions soient systématiquement différentes d’une grande région du ciel à une autre », explique l’astrophysicien.

Un second facteur délicat à prendre en compte est l’absorption du rayonnement X émis par les amas de galaxies par le milieu interstellaire lorsqu’il traverse la Voie lactée. « Il faut donc corriger cette absorption, précise Florian Pacaud. Et pour cela, nous utilisons la densité d’hydrogène comme traceur (car elle est facile à mesurer), alors que l’absorption provient en pratique d’éléments plus lourds (les atomes plus lourds et les “poussières”). » Une erreur de modélisation de l’absorption galactique pourrait induire un effet d’anisotropie trompeur. Adam Riess, astrophysicien de l’université Johns-Hopkins, a d’ailleurs fait remarquer que la région particulière identifiée par Konstantinos Migkas est proche de la zone la plus opaque de la Voie lactée. Il faut cependant noter que le plan galactique couvre presque un tiers du ciel et qu’il n’est donc pas surprenant qu’une direction a priori aléatoire tombe près du plan galactique. La direction du grand attracteur (vers lequel se dirigent les amas de galaxies locaux et dû à des structures très massives dans la direction du superamas de Shapley) se trouve aussi étrangement proche du pic du signal de l’équipe de Konstantinos Migkas. Cela serait cohérent si on suppose que les grandes structures locales sont à l’origine de cette anisotropie.

Pour s’assurer de la réalité de l’effet qu’ils ont observé, Florian Pacaud et ses collègues ont analysé un catalogue d’amas plus important (842 structures considérées). Verdict : la région anormale persiste.

Un battement mesurable d’un intervalle de temps fondamental maximal.

La période de l’horloge de l’Univers : C’est le titre d’un article de Physicsworld du 19 juin : ‘The Period of the Univers’sClock’. Avec le sous-titre : « Les théoriciens ont déterminé 10⁻³³ seconde comme limite supérieure pour la période d’un oscillateur universel, ce qui pourrait aider à construire une théorie quantique de la gravité. »

Ci-jointe la traduction, par mes soins, de la totalité de l’article « Le tic-tac de l’Univers. Une nouvelle théorie propose que le temps soit une propriété fondamentale de l’Univers, régie par un oscillateur qui interagit avec toute la matière et toute l’énergie.

Un trio de théoriciens a modélisé le temps comme un oscillateur quantique universel et a trouvé une limite supérieure de 10^-33 seconde pour la période de l’oscillateur. Cette valeur se situe bien en dessous des tic-tacs les plus courts des meilleures horloges atomiques d’aujourd’hui, ce qui la rend incommensurable. Mais les chercheurs indiquent que les horloges atomiques pourraient être utilisées pour confirmer indirectement les prédictions de leur modèle.

La physique a un problème avec le temps : en mécanique quantique, le temps est universel et absolu, avançant continuellement au fur et à mesure que les interactions se produisent entre les particules. Mais avec la relativité générale (la théorie qui décrit la gravité classique), le temps est malléable — les horloges situées à différents endroits dans un champ gravitationnel ont des tic-tacs avec des vitesses différentes. Les théoriciens qui développent une théorie quantique de la gravité doivent concilier ces deux descriptions du temps. Beaucoup s’entendent pour dire que la solution exige que le temps soit défini non pas comme une coordonnée continue, mais plutôt comme le tic-tac d’une horloge physique, explique Flaminia Giacomini, théoricienne quantique au Perimeter Institute for Theoretical Physics (PITP) du Canada.

Une telle horloge fondamentale imprégnerait l’Univers, un peu comme le champ de Higgs de la physique des particules. Semblable au champ de Higgs, l’horloge pourrait interagir avec la matière, et elle pourrait potentiellement modifier les phénomènes physiques, dit Martin Bojowald de l’Université d’État de Pennsylvanie à University Park.

Mais les chercheurs ont encore à développer une théorie pour une telle horloge, et ils ne comprennent toujours pas la nature fondamentale du temps. Visant à mieux comprendre les deux problèmes, Bojowald et ses collègues ont imaginé l’horloge universelle comme un oscillateur et ont entrepris d’en déduire sa période. Leur espoir étant que cela pourrait offrir des idées sur la façon de sonder les propriétés fondamentales du temps.

Dans le modèle, l’équipe considère deux oscillateurs quantiques, qui agissent comme des pendules quantiques oscillant à des rythmes différents. L’oscillateur plus rapide représente l’horloge universelle et fondamentale, et le plus lent représente un système mesurable en laboratoire, comme l’atome d’une horloge atomique. L’équipe couple les oscillateurs pour leur permettre d’interagir. La nature de ce couplage est différente des oscillateurs classiques, qui sont couplés par une force commune. Au lieu de cela, le couplage est imposé en exigeant que l’énergie nette des oscillateurs reste constante dans le temps, une condition dérivée directement de la relativité générale.

L’équipe constate que cette interaction provoque une désynchronisation lente des deux oscillateurs. La désynchronisation signifie qu’il serait impossible pour n’importe quelle horloge physique de maintenir indéfiniment les tic-tacs d’une période constante, plaçant une limite fondamentale sur la précision des horloges. En conséquence, les tic-tacs de deux horloges atomiques construites à l’identique, par exemple, ne seraient jamais entièrement d’accord, si mesurées à cette limite de précision. L’observation de ce comportement permettrait aux chercheurs de confirmer que le temps a une période fondamentale, dit Bojowald.

Bojowald et ses collègues ont utilisé la propriété de désynchronisation pour obtenir une limite supérieure de 10^-33 secondes pour la période de leur horloge oscillante fondamentale. Cette limite est 10¹⁵ fois plus courte que le tic-tac des meilleures horloges atomiques d’aujourd’hui et 10¹⁰ fois plus longue que le temps de Planck, une longueur proposée pour l’unité mesurable la plus courte.

La résolution d’une unité de temps Planck est bien au-delà des technologies actuelles. Mais le nouveau modèle permet potentiellement aux chercheurs de se rapprocher beaucoup plus qu’auparavant, explique Bianca Dittrich, qui étudie la gravité quantique au PITP. Bojowald est d’accord. L’utilisation de l’échelle de temps de la désynchronisation entre les horloges pour faire des mesures de temps, plutôt que les horloges elles-mêmes, pourrait permettre des mesures sur des échelles de temps beaucoup plus courtes, dit-il.

Un autre avantage de choisir un système quantique oscillant comme modèle pour une horloge fondamentale est qu’un tel système ressemble beaucoup aux horloges utilisées en laboratoire, explique Esteban Castro-Ruiz, de l’Université Libre de Bruxelles, qui étudie les problèmes liés aux horloges quantiques et à la gravité. La ressemblance est essentielle, dit Castro-Ruiz, parce qu’elle « amène la question d’une période fondamentale de temps à un cadre plus concret, où l’on peut réellement commencer à penser à des conséquences mesurables ».

Cette recherche est publiée dans Physical Review Letters.

            Cet article est pour moi une aubaine car c’est, à ma connaissance, un article qui me fait entrevoir pour la première fois une complicité de pensée théorique du battement du temps fondamental, insécable, que j’estime actuellement de l’ordre de 10^-26 à 10^-28s. Mon premier article sur ce sujet date du 02/11/2012 ‘Synthèse : Un monde en ‘Présence’’

Ci-jointes les idées exprimées que je fais miennes : « Une nouvelle théorie propose que le temps soit une propriété fondamentale de l’Univers » ; « La physique a un problème avec le temps » ; « Beaucoup s’entendent pour dire que la solution exige que le temps soit défini non pas comme une coordonnée continue, mais plutôt comme le tic-tac d’une horloge (physique.) » ; « … amène la question d’une période fondamentale de temps à un cadre plus concret, où l’on peut réellement commencer à penser à des conséquences mesurables ».

   Je cite maintenant ma différence de point de vue. Les auteurs de l’article indiquent clairement que le battement maximal est de nature physique, non pas à cause du moyen physique qu’ils proposent pour le mesurer mais par leur hypothèse : c’est l’horloge de l’Univers qui bat à 10^-33seconde. Selon mon hypothèse le battement maximal est dû à la ‘‘Présence’ du Sujet pensant’, je le nomme TpS ou encore τ_s, est (voir mon article de 2012) :

                   1- une durée définitivement insécable ; (sic)

               2- un existential ;

               3- la condition de la mobilité de la pensée humaine et partant, concomitamment, la condition de la faculté de langage ;

               4- le foyer, le siège, de la temporalisation du temps ; (sic)

               5- une durée irrémédiable et aveugle de l’intelligence humaine ;

6- au cours de cette durée – qui a la valeur d’une ‘faille’ – se joue la compatibilité de l’être de la nature et de l’être dans la nature qui caractérise l’être humain ;

Bref aucune opération de mesure physique ne peut être instantanée, elle implique obligatoirement une durée. (sic)

            Si les auteurs de l’article parviennent à obtenir une mesure, il est évident qu’elle ne permettra pas de trancher entre les deux hypothèses sur la nature de ce battement. Qu’elle que soit la dimension temporelle de ce battement, qu’elle soit proche de mon estimation ou de la leur, ou encore une valeur intermédiaire, la question de la nature du battement restera posée. Par contre l’obtention d’un résultat tangible aura, à mon avis, la valeur d’un paradigme. Comme l’indique Castro-Ruiz : « on peut réellement commencer à penser à des conséquences mesurables » Effectivement, on pourra concrètement, exploiter ce résultat et le mettre à l’épreuve d’autres nouveaux résultats que l’on pourra attribuer à ce battement primordial. On fera de la physique avancée et nouvelle car c’est, in fine, avec des nombres à comparer, qu’on fait de la science dure. En ce sens ce résultat aura la valeur d’un paradigme.

            Je cite : « Une telle horloge fondamentale imprégnerait l’Univers, un peu comme le champ de Higgs de la physique des particules. Semblable au champ de Higgs, l’horloge pourrait interagir avec la matière, et elle pourrait potentiellement modifier les phénomènes physiques, dit Martin Bojowald » ; si Bojowald prédisait juste, ce serait remarquable. Toutefois, il y a encore beaucoup de chemin à parcourir avant d’affirmer une telle hypothèse avec les effets conséquents évoqués. J’aimerais que Martin ait raison, car mon hypothèse serait toujours valable puisque ce champ semblable au champ de Higgs serait, selon mon hypothèse, le témoin justifiant la ‘Présence’ du sujet pensant ainsi que son action investigatrice car le temps est un propre de l’homme et cette ‘Présence’ est inexpugnable. Voir article[1] du 21/12/2011 : ‘L’être humain est-il nu de toute contribution lorsqu’il décrypte et met en évidence une loi de la Nature ?’ et article du 02/05/2013 ‘Bienvenu au ‘Moment Présent’ de Lees Smolin’. Article dans lequel je précise : « Attention ! Je ne prétends pas comme L. Smolin que le temps est réel, donné, dans le sens qu’il serait dans la nature, au contraire, je considère que c’est le sujet pensant qui est la source (temporalisation du temps) et le vecteur du temps. »

            Il restera à départager mon hypothèse de celle de Martin Bojowald pour rendre compte de ce qui est à la source de ce champ : ‘similaire au champ de Higgs’. Lorsqu’on sera à ce niveau d’une recherche de confirmation, il sera aisé de considérer que l’on aura fait un sacré progrès théorique. Dans l’article du 05/08/2017, je propose un projet d’expérience qui permettrait de distinguer laquelle des deux hypothèses serait juste avec la possibilité concomitante d’expliquer l’étrangeté que constitue le phénomène de l’intrication.

            Sur le site de phys.org, le 26 juin, un article a été consacré sur le même sujet sans apporter un quelconque développement supplémentaire. J’ai remarqué dans ces 2 publications une prise de distance intéressante, à mes yeux, à l’égard du temps de Planck, écartant l’idée que ce temps puisse avoir une signification physique. J’ai toujours considéré que les grandeurs associées à la constante de Planck étaient des grandeurs « hors-sol » obtenues en considérant les équations aux dimensions. Ce type d’extrapolation, laisse penser que les physiciens ont cru avoir saisi le ‘Graal’ avec h et, selon eux, tout s’expliquerait en faisant briller artificiellement son éclat à tout propos. Cela s’appelle une fascination, un tropisme, aveuglants.   

Vous pensez toujours : Contre-intuitif, Etrange ou encore Enigmatique.

De très nombreux articles considérant la mécanique quantique commence par : « la mécanique quantique décrit un monde étrange et contre-intuitif, énigmatique. » Cela est encore le cas à propos de l’article[1] de Ph. Ball que nous étudierons ci-après en télé séminaire : « La physique quantique dépeint un monde étrange et contre-intuitif. De fait, il ne ressemble en rien à celui dont nous faisons l’expérience au quotidien, au moins mécaniquement parlant. Jusqu’au 20^e siècle, tout le monde pensait que les lois de la physique classique formulées par Isaac Newton et d’autres s’appliquent à toutes les échelles. Dans ce cadre, n’importe quel objet a une position et des propriétés bien définies à tous moments. Ce n’est pas le cas. » De même dans l’article p.16 de Klein et Rovelli : « Une efficacité déraisonnable », que nous étudierons aussi : « Si la physique quantique troubla tant, c’est parce qu’elle échappait au cadre d’interprétation de la physique classique. A tout système, la physique classique attache des propriétés qui appartiennent en propre au système et n’attribue pas de rôle fondamental à l’opération de mesure. »

Est-ce que ceux qui évoque la contre-intuitivité et l’étrangeté de la mécanique quantique sont des réactionnaires comme nous le dit S. Weinberg, p.43 de l’article : ‘Un pont entre deux mondes’ : « Mais pour l’heure, la mécanique quantique semble répondre à tous les tests. « Non, nous ne faisons face à aucune crise. Tout le problème est là ! s’exclame Weinberg. Par le passé, nous n’avons cessé de progresser lorsque les théories existantes rencontraient des difficultés. Mais il n’y a rien de tel avec la mécanique quantique. Elle n’est pas en conflit avec les observations. Le problème, c’est qu’elle ne parvient pas à satisfaire les idées philosophiques préconçues et réactionnaires des gens comme moi. »

On peut considérer qu’au début de la mécanique quantique dans les années 1920, les physiciens de l’époque, qui se trouvaient confrontés aux phénomènes physiques à l’échelle de l’infiniment petit, soient sérieusement déboussolés car effectivement leur grille de lecture de l’interprétation classique habituelle ne correspondait plus à ce qu’ils constataient. Pensons à H. Lorentz qui, dans les années 1920, enseignait à ses étudiants, le jeudi matin, que l’électron rayonnait de l’énergie lorsqu’il subissait une accélération positive ou négative et il enseignait, le vendredi matin, que l’électron de l’atome d’hydrogène orbitant autour du noyau se maintenait dans un état stable, donc entre autres conservait le même niveau d’énergie.

En conséquence le découplage entre l’interprétation classique et la bonne interprétation des phénomènes atomiques, quantiques, devait conduire à une rupture intellectuelle violente qui d’ailleurs fut difficilement assumée par les physiciens[2] formés sur les bans de l’université par le paysage maitrisé de la physique classique (voir l’autobiographie de Planck). Mais cent ans après, cela ne devrait plus être ainsi…, sauf si on est réactionnaire comme le dit S. Weinberg.

Cent ans après, A. Bassi a raison : « Certains vous diront que la mécanique quantique nous a appris que le monde est étrange et que nous devons l’accepter. Je m’y refuse. Si une chose est étrange, nous devons faire en sorte de mieux la comprendre. »

Pour mieux la comprendre, qu’est-ce qu’il faut comprendre ? Selon ma conviction, premièrement, il faut intégrer ce qu’affirme Heisenberg : « Le postulat d’une réalité physique existant indépendamment de l’homme n’a pas de signification. » Deuxièmement, il faut admettre le renversement copernicien que propose le jeune Bohr grâce à sa formation intellectuelle influencée par l’existentialisme : « Il faut renoncer à l’idée que le but de la physique soit de trouver comment est faite la nature » et accepter modestement que : « la physique est seulement concernée par ce que l’on peut dire sur la nature ». Ce qui est autrement dit par Heisenberg, d’une façon radicale : « Le seul but de la physique c’est de prévoir correctement les résultats expérimentaux. » ou encore : « Presque tous les progrès de la science ont été payés par un sacrifice (sic), pour presque chaque nouvelle réalisation intellectuelle, les positions et les concepts antérieurs ont dû être révisés. Ainsi, d’une certaine façon, l’accroissement des connaissances (sic) a réduit la prétention du savant à comprendre la nature. »

Pour mieux comprendre l’essence du corpus de la mécanique il nous faut admettre qu’en tant que physicien, observateur, sujet pensant, nous sommes à distance du monde quantique. Avec la physique classique on peut avoir l’illusion que nous sommes dans le monde classique. En effet les données de ce monde que nous recueillons sont observables directement car les sens propres de l’être humain et son intelligence propre ont été façonnés dans un rapport intime avec et contre la Nature à l’échelle que l’on dit classique depuis la nuit du temps. Notre capacité à observer et à inférer a été déterminée par ce fait anthropologique. Je dis bien « a été » car depuis un siècle que le corpus de la mécanique quantique a commencé à être élaboré et continu d’évoluer à cause de problématique plus récente telle que par exemple l’intrication, le monde de l’infiniment petit a commencé sérieusement à être ausculté, en conséquence notre intelligence est déjà marquée par cette pratique.  Cela s’appelle un apprentissage. On sait maintenant qu’au cours d’un apprentissage les circuits neuronaux dans notre cerveau évoluent durablement. Pensons à l’apprentissage de la lecture, du calcul, ou tous autres au cours de la vie. C’est pourquoi quand je lis ou entend des physiciens évoquer encore la contre-intuitivité, l’étrangeté, de la mécanique quantique comme à ses débuts cela me paraît absurde. Cette absurdité est perceptible lorsque l’on a enseigné la mécanique quantique à plusieurs générations d’étudiants. Les générations les plus récentes sont notablement de plus en plus à l’aise avec la théorie quantique. Certes on ne pourra jamais avoir l’illusion d’être dans le monde quantique comme, on peut l’avoir, d’être dans le monde classique mais l’accoutumance de le fréquenter et de le confronter, de se l’approprier intellectuellement même partiellement réduit et réduira l’étrangeté de ce monde. Prenons l’exemple suivant : il est évalué qu’une personne aveugle ‘voit’ l’environnement physique dans lequel il évolue, en faisant la synthèse de ses repères olfactifs, auditifs, sensoriels de la peau, etc… qu’un voyant est incapable d’analyser. (Dans ce cas pour l’aveugle l’aire cérébrale de la vue est active comme pour un voyant).

N. Bohr disait souvent pour accepter la mécanique quantique, il faut préalablement savoir renoncer, renoncer au raisonnement classique. Et ceux qui encore mettent en avant la contre-intuitivité, l’étrangeté, depuis le temps n’ont toujours pas renoncé, ils pensent toujours en réaction comme le dit avec beaucoup de lucidité S. Weinberg. Tant pis pour eux, mais en même temps ils font obstacle. Ils conçoivent en réaction au fait que la réalité physique est ramenée à nos rapports opérationnels avec elle, au-delà de laquelle la science n’a plus rien à connaître. Dans sa formulation même, la théorie quantique ne dit pas comment le monde est, mais comment il répond aux sollicitations. Les concepts physiques tirent leur seule légitimité de leur capacité à « couvrir la situation expérimentale ». 

Le formalisme de la mécanique quantique est toujours considéré par un grand nombre comme provisoire, malgré son efficacité, car il est considéré comme empirique, pragmatique, imprégné par les probabilités, marqué par l’indéterminisme, et donc il est renversant par rapport à l’idéal classique. Malgré cette conception hérétique, la conquête des applications proprement dues à l’exploitation du corpus de la mécanique quantique sont extraordinaires. Le N° hors-série de ‘Pour la Science’ annonce une ‘nouvelle révolution quantique’ qui a déjà commencé. L’efficacité du formalisme quantique avec ses principes qui l’accompagnent ont fait preuve de leurs valeurs heuristiques au point que l’auteur de l’article : ‘Un pont entre deux mondes’ n’hésite pas à poser la question : « Sommes-nous aveugles à une mécanique quantique qui régnerait à toutes les échelles ? ». C’est exactement ce que je suggère dans l’article du 25/03/2020 : ‘Une nouvelle perspective sur la nature de la science’, qui conclue ainsi : « Ce que je propose ci-dessus est suscité par l’idée que ce qui a été essentiellement fondé par l’école de Copenhague correspond à un état de l’art de la pensée scientifique et bien qu’elle fût énoncée à l’occasion de la découverte du monde physique à l’échelle de l’infiniment petit, elle vaut aussi pour tout scientifique en quête de connaissances physiques fondamentales de la nature à l’échelle macroscopique. Le rôle du sujet pensant est tout aussi déterminant dans les deux cas de figure. » Et puis on pourrait conjecturer sur cette autre concordance que je propose : « N’importe quelle mesure particulière ne capture qu’un fragment du monde quantique[3] » avec : n’importe quelle observation en astrophysique ne concerne qu’un fragment de notre univers. Avec ces deux exemples nous devons prendre en compte que nous sommes bien dans la situation nouvelle que Bohr avait repérée et considérée suffisante pour bouleverser les théories rendant compte du rapport que nous avons avec ce qu'on nomme par commodité « la réalité ». Comprendre le rapport objectif, possible, que nous avons avec la réalité, avec la nature, est essentiel pour interpréter correctement ce que nous nommons par commodité la réalité. Le formalisme de la mécanique quantique de l’école de Copenhague est relatif à l’expression de ce rapport. En astrophysique (très grandes échelles, contrairement à l’échelle classique) nous sommes dans une même situation d’inaccessibilité, en une seule observation en un seul regard (intellectuel), de la totalité de l’univers.

Dans l’article du 25/03/ j’ai utilisé les mêmes concepts et le même formalisme que ceux de Copenhague : « La fonction d’onde de la connaissance globale du Monde… L’état de la connaissance réduite actuelle du monde c’est un Univers… Avec cet état dominant, se superpose d’autres états de connaissance en cours de réduction… » En effet le formalisme de l’école de Copenhague, à coup sûr, n’a pas été prémédité, il a été développé d’une façon pragmatique, empirique, pour satisfaire scientifiquement au coup par coup une situation inédite en rupture avec la physique classique. Tous ceux qui ont pensé que ce pragmatisme avait valeur de provisoire ce sont trompés. Peut-être que ce qui est proposé dans les deux articles de ‘Pour la Science’ : ‘Un pont entre deux mondes’ et ‘Le darwinisme quantique à l’heure des tests’, produira des résultats intéressants mais cela constituera des améliorations effectives dans le même cadre. On doit donc considérer que ce qui est proposé par Copenhague est robuste et représente un état de l’art qui aurait de la valeur au-delà de la mécanique quantique. A mon sens cela est, parce que les deux fondateurs principaux ont réfléchi leurs postulats à partir des idées suivantes universellement justes : « Le postulat d’une réalité physique existant indépendamment de l’homme n’a pas de signification. » et « C’est l’appréciation correcte du rapport que nous avons avec la nature qui permet d’avoir un juste discours de physicien sur la nature. »

Je ne peux pas terminer mon article sans exprimer ma consternation à propos de ce qui est rédigé dans les pages 6 et 7 et qui a vocation à servir de repères pour comprendre la mécanique quantique. Je ne saurais dire si c’est à cause d’un travail superficiel de la part de celui qui était chargé de rédiger ces deux pages ou bien la volonté de vouloir entretenir l’idée que les hypothèses de de Broglie ont toujours de la signification. Ceci est malvenu car cela ne facilite pas l’élucidation d’un vrai questionnement passionnant qui perdure depuis un siècle autour des propriétés quantiques. Ce qui est malvenu c’est premièrement d’engager ce repérage par la dualité onde-corpuscule qui a été postulé par de Broglie qui déclare que la lumière est constituée d’ondes lumineuses et de corpuscules (photons) et ceci a conduit à la notion générale de dualisme entre onde et particule. Cela signifie qu’un objet quantique est concomitamment constitué réellement d’une onde (de matière) et d’un corpuscule. Ces postulats ont conduit à l’élaboration de la physique ondulatoire et non pas à la physique quantique. La physique quantique, c’est-à-dire, celle de l’école de Copenhague postule : onde ou corpuscule cela dépend de l’instrument de mesure que l’on utilise. Ainsi pour la lumière, l’aspect ondulatoire est flagrant avec les fentes de Young (sans moyens de détection) et l’aspect corpusculaire est flagrant avec l’effet photoélectrique. De plus dans ce cadre, il n’y a aucune prétention ontologique, on évoque l’aspect ondulatoire ou l’aspect corpusculaire, cela dépend de l’observateur avec l’instrument de mesure qu’il exploite. Dans le paragraphe : Indéterminisme : la confusion est à son paroxysme car on considère qu’en conséquence de la dualité onde-corpuscule… l’onde associée à une particule est en fait une onde de probabilité (fonction d’onde) (sic). Cette soupe théorique est vraiment néfaste.

Je propose aux lecteurs de lire dans l’article de Klein et Rovelli, p.16 : ‘Une efficacité déraisonnable’ le paragraphe ci-dessous qui est très rigoureux et pédagogique, et donc de s’en tenir à ce qu’ils exposent.

« Dans le cadre de la théorie quantique, un système physique est décrit par un objet mathématique, la fonction d'onde. Celle-ci s’écrit en général, comme la somme de plusieurs fonctions représentant chacune un état particulier affecté d'un certain coefficient. On est alors face à une <superposition> d’états possibles, une situation sans équivalent en physique classique. La théorie stipule alors que connaissant la fonction d’onde, on ne peut en général pas déterminer le résultat d’une mesure, mais seulement calculer les probabilités d’obtenir tel ou tel résultat. Et parmi tous les résultats possibles a priori, un seul est sélectionné, au hasard, par l’opération de mesure. Cette dernière entraîne une « réduction des possibles » qui s’effectue d’un coup et de façon aléatoire.

En ce qui concerne la physique quantique, on peut considérer que le fait le plus notable relatif à cette physique c’est la propriété de l’intrication. Cette propriété fut confirmée en 1982 par A. Aspect, auteur de l’introduction du dossier de Pour la Science qui signale : « J’étais loin d’imaginer cette explosion d’idées d’application autour de l’intrication ! » Or cette propriété n’est toujours pas comprise. Il n’est pas souhaitable, ni possible, que l’engouement pour les applications délaisse la volonté de comprendre les causes de cette propriété observée et confirmée, ces vingt dernières années, dans des configurations très variées au point qu’il n’y a plus d’échappatoire. Soit cette propriété est naturelle, inhérente à la nature, partie prenante de la genèse de l’univers, ce que veulent théoriser certains auteurs notamment l’auteure de l’article : « La matrice de l’espace-temps », soit cette propriété se produit expérimentalement sous certaines conditions et se reproduit moyennant l’exploitation de moyens technologiques identifiés. Pour qu’il y ait intrication, il faut que les parties d’un système quantique aient interagi. Puisqu’il y interaction celle-ci ne peut être instantanée, elle a une durée Δt > 0, aussi petite soit-elle. Mon estimation est de l’ordre de 10^-26s. On remarque : « Pour qu’il y ait intrication, il faut que les parties d’un système quantique aient interagi. » Cela signifie qu’un système quantique constitué par intrication reste système quantique qu’elle que soit l’évolution spatio-temporelle des parties le constituant. C’est-à-dire que théoriquement la fonction d’onde (objet mathématique) spécifique du système constitué est indestructible jusqu’à ce qu’il soit procédé à une mesure sur l’une des parties. En ce qui concerne mon hypothèse que l’intrication se constate parce que l’observateur est aveugle vis-à-vis de Δt de l’ordre de 10^-26s, cela pourrait être testé avec deux observateurs : l’un dans son laboratoire au repos qui produit l’intrication, l’autre dans un mobile se déplaçant avec une vitesse relative importante et grâce à ce que l’on sait avec la relativité restreinte, pour cet autre, le Δt deviendrait > à la durée du point aveugle de l’observateur et dans ce cas, dans son référentiel, il n’observerait pas d’intrication. Voir article du 29/10/2015 : « L’univers n’est pas si bizarre si… »