Quand les hommes ont-ils commencé à regarder les étoiles ?

À travers tous les âges, les hommes ont levé les yeux vers le ciel. Ils se sont toujours interrogés sur leur place dans le cosmos. Il y a environ cent mille ans, l’homme vivait dans un univers magique et voyait dans chaque élément naturel l’incarnation d’un esprit. C’était donc un monde à l’échelle humaine, où il était possible de converser avec la nature. Mais avec les progrès de la connaissance, l’univers a perdu sa simplicité et sa familiarité. Il y a quelque dix mille ans, l’univers magique s’est mué en un univers mythique dans lequel les dieux ont fait leur entrée, et l’homme a commencé à se raconter des histoires pour se situer dans ce vaste cosmos. Chaque culture va concevoir ses propres récits : pour les Égyptiens, le firmament est constitué du corps de la déesse Nout, et les étoiles sont ses bijoux. Chaque jour, le dieu Râ, sous sa forme de disque solaire, traverse le corps de la belle déesse, puis s’enfonce sous terre pendant la nuit et il doit vaincre les forces du mal pour ressurgir le lendemain. En Inde, c’est le dieu Shiva, auréolé de flammes, qui danse et crée l’univers. Dans un autre mythe indien, c’est la respiration de Brahma qui est à l’origine de l’univers, selon un cycle d’inspiration et d’expiration de huit milliards d’années qui fait songer à notre Univers en expansion. Dans le monde chinois, c’est l’interaction entre le yin et le yang qui crée le monde, sans intervention divine.

D’où viennent les constellations* ?

Chaque civilisation a projeté dans le ciel sa propre culture. Les Amérindiens, des chasseurs invétérés, voyaient eux aussi une « Grande Ourse » dans la constellation que nous nommons ainsi. Aux yeux des Français, fidèles à leur tradition gastronomique, celle-ci apparaît plutôt comme une casserole. L’observation d’un même firmament a pu donner naissance à des constellations très différentes dans leurs appellations selon les lieux, mais les images choisies témoignent toutes d’un rapport sacré aux objets célestes. Pour les cultures anciennes, le ciel et ses manifestations rythment la vie des hommes, édictant des cycles fondamentaux. Les Égyptiens nous ont donné le calendrier de douze mois et de 365 jours, signe qu’ils avaient bien observé les phénomènes cycliques de la Lune et du Soleil. Mais les anciens utilisaient aussi les astres pour sacraliser la surface de la Terre. Pensez au site de Stonehenge, en Angleterre : sa construction, entre - 3000 et - 1500, a dû mobiliser une bonne partie de la société, et les archéoastronomes sont aujourd’hui en mesure de nous dire que l’orientation de cet ensemble de pierres est intimement liée aux positions de la Lune et du Soleil à certains moments spéciaux de l’année, autrement dit : Stonehenge est un observatoire astronomique. Par exemple, la ligne définie par le centre des cercles de pierre avec la « pierre du Talon » dans l’allée centrale marque précisément la direction du soleil levant au solstice d’été. D’autres alignements avec le soleil ou la lune se retrouvent dans les monolithes de Carnac, en Bretagne, ou dans les roues-médecines des tribus amérindiennes du Wyoming. Dans les ruines mayas de Chichén Itzá, on a trouvé un véritable observatoire, construit vers le Xe siècle, avec des ouvertures spéciales pour observer la planète Vénus, la plus importante pour eux car la plus brillante pendant la nuit, après la Lune. Cet univers mythique qui permet de relier la Terre au ciel a longtemps perduré en Amérique, mais, en Europe, il a été mis à mal dès le VIe siècle avant Jésus-Christ.

Que se passe-t-il à ce moment-là ?

Une poignée d’hommes extraordinaires vont changer notre regard sur le ciel. En Ionie, dans la Grèce actuelle, ces hommes ont eu l’intuition qu’il ne fallait pas remettre aveuglément leur destin entre les mains des dieux et se considérer comme les jouets de leurs guerres et de leurs amours, mais que la raison humaine pouvait comprendre les lois qui régissent l’Univers. Bien sûr, cela ne signifie pas que les Grecs n’ont pas eu de mythologie cosmogonique. Mais, au fur et à mesure des découvertes, l’espace devient chez eux plus profane. Pythagore, au VIe siècle avant notre ère, affirme que les mathématiques sont le langage par lequel s’exprime la nature. La Terre devait être une sphère, car la forme mathématique la plus parfaite est sphérique ; elle ne pouvait donc pas être plate comme on le croyait. Ératosthène est le premier à en calculer la circonférence, vers l’an 240 av. J.-C., avec un résultat très proche de la réalité (environ 40 000 kilomètres). Avec les Grecs, on assiste aux balbutiements de la méthode scientifique, avec cette idée qu’un modèle mathématique peut décrire le comportement de la nature, comme prévoir la position et le mouvement des objets célestes, idée qui atteindra son apogée lors de la Renaissance, au XVIe siècle. Les Grecs ont ainsi été les premiers à réfléchir à notre position dans l’Univers – et même si la théorie géocentrique défendue par Aristote et Ptolémée, qui place la Terre au centre de l’Univers, s’est révélée fausse, elle a prévalu pendant plus de deux mille ans.

Comment ce modèle a-t-il fini par être réfuté ?

Le modèle géocentrique postule l’existence de sphères cristallines : la Terre est au centre, et autour d’elle tournent des sphères concentriques portant chacune un corps céleste – la Lune, Mercure, Vénus, le Soleil, Mars, Jupiter, Saturne – et, enfin, une dernière sphère qui porte les étoiles, fixes et éternelles (les planètes Uranus et Neptune n’étaient pas connues des Anciens). Ce modèle, qui confortait l’homme dans l’idée, également présente dans la Bible, qu’il occupait une place centrale dans l’Univers, a prévalu jusqu’au XVe siècle. Nicolas Copernic (1473-1543) avance alors l’idée d’un système héliocentrique, avec le Soleil au centre de l’Univers, et la Terre réduite à une simple planète tournant autour de lui, comme toutes les autres. Puis Giordano Bruno (1548-1600) postule qu’il existe d’autres planètes au-delà du système solaire, hébergeant d’autres intelligences – il sera brûlé vif pour ses idées. Et Galilée (1564-1642), en braquant le premier télescope vers le ciel en 1609, fait maintes découvertes et clame haut et fort son soutien au modèle héliocentrique de Copernic. Il est traduit devant l’Inquisition qui le force à se rétracter. Le système héliocentrique a eu un immense impact psychologique : l’homme n’est plus au centre de l’attention de Dieu et le cosmos n’est plus créé pour son seul usage et son seul bénéfice.

D’autres observations continuent à remettre en cause les enseignements aristotéliciens. L’astronome danois Tycho Brahe (1546-1601) observe une comète en 1577 dont la trajectoire est elliptique, et non circulaire. Cela signifie que son orbite traverse les fameuses sphères cristallines, ce qui est absurde. Brahe en conclut que ces sphères n’existent pas en réalité, mais seulement dans l’imagination des hommes ! Et l’apparition, en 1572, d’une nouvelle étoile brillante dans le ciel, dont on sait aujourd’hui qu’il s’agissait d’une supernova* (l’explosion d’une étoile massive en fin de vie), met fin à l’idée de l’immuabilité aristotélicienne : le ciel et les étoiles changent eux aussi. Non seulement l’homme n’est plus au centre du monde, mais le firmament lui-même n’a plus la perfection immuable des dieux. Et depuis, l’astronomie moderne n’a cessé de rapetisser l’homme dans l’Univers.

De quelle manière ?

On a d’abord cru que si la Terre n’était plus le centre du monde, alors le Soleil devait l’être. Mais au début du XXe siècle, l’astronome Harlow Shapley (1885-1972) démontre qu’il n’est qu’une étoile de banlieue de la Voie lactée, à 27 000 années-lumière du centre galactique. À la fin du XIXe siècle, on estime déjà que cette Voie lactée compte au moins cent milliards de soleils, mais on pense encore qu’elle peut être la seule galaxie* de l’Univers. C’est une autre façon de sauver notre ego humain, en nous replaçant au centre du monde. Mais ensuite les grands télescopes ont permis de repérer des « nébuleuses », des objets célestes d’aspect diffus, et en 1923 l’astronome Edwin Hubble (1889-1953) arrive à démontrer qu’il existe d’autres galaxies dans l’Univers. En effet, la nébuleuse Andromède qu’il observe est distante d’environ deux millions d’années-lumière, bien plus que le rayon de la Voie lactée (50 000 années-lumière). Aujourd’hui, on sait qu’il existe quelques centaines de milliards de galaxies dans l’Univers observable.

Il y a une partie de l’univers qu’on ne peut pas observer ?

Un objet céleste peut être vu quand la lumière qu’il émet a eu le temps de nous parvenir. On sait que l’Univers n’est pas infini dans le temps – il est né il y a environ 13,8 milliards d’années. Si l’Univers était statique, sa sphère observable serait de 13,8 milliards d’années-lumière. Mais l’Univers n’est pas statique, il est en expansion, et donc une galaxie dont la lumière serait partie il y a 13,8 milliards d’années se trouve aujourd’hui à une distance de 47 milliards d’années-lumière de nous. L’Univers observable est donc une sphère avec un rayon de 47 milliards d’années-lumière. L’Univers réel est plus grand que l’Univers observable, mais la lumière de galaxies plus distantes que 47 milliards d’années-lumière n’a pas eu le temps de nous parvenir, et nous ne verrons que du ciel noir en regardant dans leurs directions. L’Univers observable contient quelque deux cents milliards de galaxies, chacune contenant des centaines de milliards de soleils. Cela vous donne une idée de la petitesse de l’homme aujourd’hui ! Le « fantôme de Copernic » continue de nous hanter en nous rapetissant toujours plus par rapport à l’Univers.

A-t-on, au fil des découvertes, perdu notre rapport quasi sacré à l’Univers et aux étoiles ?

Nombre de grands scientifiques dans le passé jugeaient que la science n’était pas contraire à la spiritualité, qu’elle permettait au contraire de glorifier le Créateur. Isaac Newton (1643-1727), par exemple, l’évoque dans ses Principes mathématiques de la philosophie naturelle. Johannes Kepler (1571-1630), le découvreur des lois planétaires, était aussi très mystique. Pour eux, la beauté des lois cosmologiques était une indication de la présence divine. Au début du XXe siècle ont été énoncées les deux grandes théories qui sous-tendent toute l’astrophysique contemporaine : la mécanique quantique*, pour l’infiniment petit, et la relativité générale* d’Einstein, pour l’infiniment grand. Il n’est plus question de Dieu, mais les lois physiques en ont gardé certaines propriétés : elles sont universelles, absolues et immuables. Moi-même, je suis toujours étonné que ces lois ne varient pas, que, par exemple, la constante de la gravitation ne change pas, ou que je puisse comprendre les propriétés de la lumière partie d’une galaxie il y a dix milliards d’années avec les lois physiques découvertes sur la Terre, qui est si insignifiante dans le temps et l’espace. Il y a là une unité de l’Univers et de ses lois, une harmonie tout à fait fascinante. Le sens du sacré et de Dieu des Anciens a été remplacé par un sentiment d’émerveillement, nourri par notre compréhension des lois physiques. Et, pour moi, l’observation du ciel conserve une dimension spirituelle très forte, car elle porte en elle l’idée d’une unité et d’une interdépendance de l’homme avec le cosmos qui l’entoure.

Sommes-nous vraiment soumis aux mêmes lois que les étoiles ?

On a cru pendant deux millénaires que ce n’était pas le cas. Aristote pensait qu’il y avait un monde sublunaire, la Terre et son atmosphère, et un monde supralunaire, le ciel, qu’ils étaient régis par des lois physiques différentes – chez lui, le mouvement des astres dans le ciel est circulaire alors que celui des objets sur Terre est rectiligne. Newton fait table rase de ces idées : il unifie le ciel et la Terre en montrant que c’est la même loi de gravitation qui fait qu’une pomme tombe d’un arbre ou que la Lune tourne autour de la Terre. Au XIXe siècle, James Clerk Maxwell (1831-1879) a uni les lois de l’électricité et du magnétisme : quand vous déplacez un aimant, vous générez un courant électrique ; s’il y a un courant électrique, vous générez un champ magnétique. Et au XXe siècle, Albert Einstein (1879-1955) unifie l’espace et le temps, en montrant qu’ils forment un couple bien soudé. Dans la théorie de la relativité restreinte*, l’espace et le temps varient en fonction de la vitesse des objets. Dans la théorie de la relativité générale, ils dépendent des champs de gravitation, eux-mêmes liés à la masse des objets – une découverte essentielle pour comprendre ce qui se passe aux abords des trous noirs*, notamment, où l’intensité des champs gravitationnels est très élevée.

Avons-nous encore des lois à découvrir ?

Nous cherchons une théorie pour unifier les quatre forces fondamentales qui régissent l’Univers : les interactions électromagnétique, gravitationnelle, nucléaires forte et faible. La mécanique quantique décrit très bien le monde de l’infiniment petit où les trois premières interactions jouent le rôle principal et où la gravité est négligeable, et la relativité rend bien compte de l’infiniment grand où la gravité domine et les trois autres forces ne jouent pas un grand rôle. Mais il reste à trouver une « théorie du tout » qui peut décrire des situations où les quatre forces sont sur un pied d’égalité, comme dans le cas du Big Bang* ou dans la singularité d’un trou noir.

En attendant, la théorie de la relativité générale d’Einstein passe triomphalement tous les tests observationnels. En 1916, il prédisait l’existence d’ondes gravitationnelles, c’est-à-dire d’oscillations de la courbure de l’espace-temps. Leur détection, un siècle plus tard, est un événement spectaculaire. Je n’aurais jamais pensé qu’elles seraient découvertes de mon vivant. Imaginez : pour les observer, il faut pouvoir mesurer un changement de longueur de l’ordre de 10-15 centimètre, soit seulement un centième de la taille d’un proton ! Eh bien, nous avons maintenant des interféromètres séparés par des milliers de kilomètres de distance qui permettent de repérer ces ondes gravitationnelles qui se déplacent à la vitesse de la lumière.

Autre vérification récente extraordinaire de la relativité générale : un interféromètre composé de radiotélescopes situés aux quatre coins du globe a obtenu en 2019 l’image d’un disque gazeux autour du trou noir supermassif de 6,5 milliards de masses solaires situé au cœur de la galaxie Messier 87. Les propriétés observées de ce disque sont exactement celles prédites par la relativité. C’est tellement parfait qu’il m’arrive parfois d’espérer que la théorie d’Einstein recèle des imperfections, que le physicien se soit trompé sur certains points, pour qu’il nous reste encore de nouvelles lois à découvrir…

Par exemple ?

L’origine de l’Univers reste mystérieuse. Les télescopes permettent de remonter le temps, mais pas jusqu’à l’instant zéro. Voir loin, c’est voir tôt, car la vitesse de la lumière est finie (300 000 km/s) et met du temps à nous parvenir. Avec les télescopes, nous pouvons remonter le temps jusqu’à l’an 380 000 après le Big Bang. Avant cela, l’Univers était opaque, la lumière ne se propageait pas, c’est comme si vous naviguiez dans un épais brouillard. Pour remonter plus loin dans le temps, les accélérateurs de particules élémentaires prennent la relève des télescopes. Le LHC, le plus grand accélérateur de particules au monde, est à Genève. Son énergie est telle qu’il peut reproduire les conditions de l’Univers au temps d’un millième de milliardième de seconde après le Big Bang. Le LHC a confirmé en 2012 l’existence du boson de Higgs, une particule postulée théoriquement en 1964 et qui confère une masse à d’autres particules. C’était important de le trouver pour confirmer le modèle standard des particules élémentaires. Mais j’espère bien que le LHC va découvrir d’autres particules, par exemple des particules massives qui pourraient constituer cette matière noire que nous, astrophysiciens, cherchons depuis 1933.

Qu’est-ce que cette « matière noire » ?

L’Univers visible, dont je vous parlais tout à l’heure, ne représente que 0,5 % du contenu total de l’Univers. La matière noire – celle qui n’émet pas de lumière visible – en constitue 29,5 %, tandis que le reste (70 %) est fait d’énergie sombre, responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers. De la matière noire, on ne connaît qu’une petite partie (4,5 %) – sans doute du gaz chaud dans les amas de galaxies ou du gaz neutre entre les galaxies. Mais il existe aussi une masse noire qui n’est pas faite de la matière ordinaire (protons et neutrons) qui compose notre corps et le monde naturel, mais de « matière noire exotique » (25 %) dont on ne connaît aucunement la nature. Et nous n’avons pas la moindre idée de la nature de l’énergie noire. Malgré toutes nos connaissances, nous ne savons pas de quoi est fait 95 % du contenu de l’Univers ! C’est l’un des problèmes les plus pressants de l’astrophysique contemporaine.

Quels sont les autres mystères les plus fascinants pour les prochaines décennies ?

J’ai déjà mentionné la quête d’une « théorie du tout » pour unifier les théories de la mécanique quantique et de la relativité générale en une seule théorie de gravité quantique. Elle nous permettra de mieux comprendre l’origine de l’Univers. Nous sommes aujourd’hui confrontés au mur de Planck : nous ne pouvons pas savoir ce qui s’est passé avant le temps de Planck de 10-43 seconde après l’hypothétique instant zéro de notre Univers. La physique connue y perd pied. C’est un mur de la connaissance que nous ne pouvons pas encore franchir, et nous ne pouvons pour l’instant émettre que des hypothèses : peut-être l’Univers a-t-il connu un temps infini avant cela ? Peut-être a-t-il déjà connu un nombre infini de cycles d’expansion et de contraction, une série de Big Crunchs* donnant naissance à une série de Big Bangs ? Sans une théorie de gravité quantique, nous ne pouvons pas le savoir. Elle serait également nécessaire pour comprendre ce qui se passe dans les trous noirs, avec une singularité gravitationnelle en leur cœur. Certaines théories postulent d’ailleurs que de nouveaux univers émergent des singularités des trous noirs, et que notre propre Univers est peut-être né d’un trou noir.

L’existence d’autres formes de vie dans l’espace vous intéresse-t-elle ?

Certainement. L’un des grands développements de l’astrophysique de ces dernières années, c’est la découverte d’exoplanètes* – on vient d’ailleurs d’attribuer le prix Nobel de physique 2019 aux Suisses Michel Mayor et Didier Queloz pour leur découverte de la première exoplanète en 1995. Aujourd’hui, grâce au télescope spatial Kepler notamment, les astronomes ont pu isoler plus de quatre mille exoplanètes.

J’adhère au principe anthropique dans sa version dite « forte » : c’est une position qui veut que l’Univers ait été réglé de façon extrêmement précise, dès son début, pour que la vie et la conscience émergent. Les constantes physiques (qui sont au nombre d’une quinzaine) et les conditions initiales sont réglées si finement que, si vous changez un tant soit peu la valeur de l’une d’entre elles, les étoiles ne se forment plus. Sans étoiles, pas d’éléments lourds, et donc pas de vie et de conscience possible : l’Univers serait vide et stérile. Je parie sur un principe créateur qui a réglé l’univers dès les premières fractions de son existence pour que les étoiles se forment et que la vie et la conscience émergent. Car pourquoi créer un univers d’une telle beauté et harmonie s’il n’y a personne pour l’apprécier ? Le principe anthropique se réfère à la conscience humaine (« anthropos » signifie « homme »), car c’est la seule que nous connaissions pour l’instant, mais cette conscience pourrait bien sûr prendre forme dans des êtres extraterrestres très différents de nous !

C’est un pari métaphysique qui n’est pas partagé par tout le monde scientifique. Certains de mes collègues croient davantage à l’existence d’un multivers*, avec une infinité d’univers parallèles dans lesquels on trouve toutes les combinaisons possibles de constantes physiques et de conditions initiales, et dont la vaste majorité seraient des univers vides de vie et de conscience. Et nous sommes par hasard dans l’univers qui a la bonne combinaison de constantes physiques et de conditions initiales pour permettre notre existence. Je rejette l’hypothèse d’univers parallèles (et du hasard) car ils souffrent du plus grave défaut qui soit en science : ils sont inaccessibles à l’observation. Avec nos télescopes, nous ne pouvons avoir accès qu’à l’univers observable, pas à d’autres univers parallèles. Adopter l’hypothèse d’un multivers est donc aussi un pari métaphysique.

Que pensez-vous aujourd’hui en regardant les étoiles ?

Les étoiles sont des creusets interstellaires de plusieurs dizaines de millions de degrés, suffisamment chauds pour produire une fusion nucléaire et concevoir de nouveaux éléments. Les étoiles massives qui finissent par exploser et former une supernova libèrent alors ces éléments lourds dans le milieu interstellaire, qui à leur tour formeront des planètes, des plantes, des animaux. C’est pourquoi nous partageons une même généalogie cosmique avec tout ce qui nous entoure.

Il y a des dizaines de milliers d’années, les hommes regardaient le ciel en croyant y reconnaître leurs ancêtres. Eh bien, nous savons aujourd’hui que les étoiles sont nos ancêtres, et que nous sommes tous formés de poussière d’étoiles. Certains trouvent l’infinité du ciel inquiétante. Elle est pour moi au contraire très réconfortante, car je sais que nous lui sommes profondément liés. 

 

* Voir le glossaire ci-dessous.

Propos recueillis par MANON PAULIC & JULIEN BISSON

 

Glossaire

Big Bang : Modèle théorique selon lequel notre Univers serait issue d’une dilatation rapide, après une phase d’hyperconcentration, très chaude. Contrairement aux idées reçues, le Big Bang n’est pas une explosion localisée dans le temps et l’espace : il résulte de l’expansion d’une singularité gravitationnelle, qui donne naissance à l’espace-temps tel que nous le connaissons.

Big Crunch : Phénomène théorique de contraction de l’Univers, après une phase d’expansion, qui consisterait à ramener le cosmos à un point de singularité annulant le temps et l’espace.

Constellation : Groupe d’étoiles voisines sur la sphère céleste, dans lequel les hommes ont voulu reconnaître une forme.

Exoplanète : Planète située en dehors du Système solaire.

Galaxie : Assemblage de centaines de milliards d’étoiles, de gaz, de poussières et de vide, présentant parfois un trou noir supermassif en son centre.

Mécanique quantique : Branche de la physique qui étudie les phénomènes à l’échelle atomique ou subatomique pour résoudre des problèmes que la physique classique échoue à expliquer. Elle permet notamment de comprendre le comportement inhabituel des particules élémentaires. En mécanique quantique, matière et énergie sont de même nature mais temps et espace sont différenciés. Dans la théorie de la relativité, le temps et l’espace constituent une seule et même grandeur – l’espace-temps – tandis que matière et énergie sont différenciées.

Multivers : Modèle hypothétique selon lequel il existerait des univers multiples qui seraient soumis à des lois physiques différentes et dont l’existence pourrait expliquer certaines propriétés de la physique quantique.

Supernova : Implosion d’une étoile en fin de vie, qui provoque notamment une gigantesque explosion et une augmentation brève de sa luminosité.

Théorie de la relativité restreinte : Théorie formulée par Einstein en 1905, qui introduit le concept d’espace-temps. En particulier, elle démontre que la vitesse de la lumière est constante et que le temps s’écoule à un rythme différent selon la vitesse de l’observateur.

Théorie de la relativité générale : Énoncée en 1915, elle étend la relativité restreinte aux champs gravitationnels élevés, en montrant que le mouvement d’un corps n’est pas défini par des forces externes, mais par la déformation de l’espace-temps. La Terre, par exemple, ne tourne pas autour du Soleil à cause de la force de gravitation, mais en raison de la perturbation de l’espace-temps introduite par la masse du Soleil.

Trou noir : Objet céleste si compact que l’intensité de son champ gravitationnel empêche toute forme de matière ou de rayonnement (notamment lumineux) de s’en échapper.

 

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