mercredi 9 octobre 2019

Qu'est-ce qui se cache derrière le prix Nobel de James Peebles ?

On comprend clairement l’objet de la distinction par le prix Nobel de physique 2019 des deux astronomes suisses Michel Mayor et Didier Queloz : leur découverte de la première exoplanète autour d’une étoile similaire au Soleil, une découverte effectuée en 1995 à l’Observatoire de Haute Provence grâce à la technique de la mesure des variations de vitesses radiales. Une découverte historique. Mais ce que le grand public comprend sans doute moins clairement, c’est ce qui se cache sous la motivation exprimée par le comité Nobel concernant le théoricien canado-américain James Peebles, je cite : "for theoretical discoveries in physical cosmology" : "pour des découvertes théoriques en cosmologie physique". Je vous propose donc un petit éclairage sur ses fameuses "découvertes théoriques".




James Peebles a débuté sa carrière au début des années 1960 à l’Université de Princeton, où il officie toujours d'ailleurs en tant que chercheur émérite (à 84 ans). A ses débuts, la théorie du Big Bang n’avait que très peu de preuves observationnelles, si ce n’est l’expansion de l’univers, et la "cosmologie" n’existait pas en tant que science. C’est sous l’impulsion de son ex-directeur de thèse (thèse effectuée à Princeton de 1958 à 1962), Robert Dicke, que James Peebles s’est penché pour la première fois sur la théorie du Big Bang en 1964 juste avant la découverte d’un fond diffus micro-onde par Arno Penzias et Robert Wilson en 1965. Avec Dicke et deux autres collaborateurs, Peebles a démontré théoriquement en 1966 ce qu’était réellement ce fond micro-ondes, un fond diffus cosmologique correspondant à la recombinaison des électrons avec les protons 380 000 ans après le Big Bang, et comment il devait être constellé de petites fluctuations de température correspondant à des fluctuations de densité, qui devaient fournir des informations précieuses sur les paramètres fondamentaux de ce qui deviendrait assez vite un modèle cosmologique standard.

C’est notamment par ces travaux sur le fond diffus cosmologique que Peebles a pu déterminer que la température de l’Univers primordial devait avoir dépassé 10 milliards de degrés. Il a également calculé dès 1966 quelles devaient être les abondances des tous premiers isotopes formés dans les trois premières minutes de l’Univers, lorsque protons et neutrons se sont agglomérés ensemble, ce qu’on appelle la nucléosynthèse primordiale. La densité primordiale en protons et neutrons était estimée par Peebles à partir de la température du fond diffus cosmologique puis les abondances relatives en deutérium, hélium-3 et hélium-4 en ont été déduites. Et c’est ensuite la confrontation avec les observations, indiquant un écart sensible dans ces abondances observées dans les galaxies, qui ont mené Peebles (et d’autres avec lui) vers l’idée qu’il manquait un ingrédient de taille à côté de la matière ordinaire faite de protons et de neutrons, une matière qui interagirait avant tout par gravitation, et qui ne serait pas baryonique. Une matière noire non baryonique. Il fera ensuite très vite le lien entre cette matière nécessairement non baryonique indispensable pour expliquer la nucléosynthèse primordiale et les subtilités du fond diffus cosmologique et la masse manquante des galaxies, mise en évidence au début des années 1970 par Vera Rubin et ses collaborateurs. Peebles en bâtira la théorie de la matière noire froide au début des années 1980.
On peut ainsi dire que c’est le premier prix Nobel qui récompense la « découverte » de l’existence de la matière noire, même si elle est enrobée dans d’autres découvertes plus vastes, et même si la preuve observationnelle via les mesures de dynamique des galaxies auraient dû être récompensée depuis longtemps, et que la nature exacte de cette matière reste à découvrir (et sera l’occasion d’un autre prix).

Dans les années 1970, Peebles a également été un pionnier de la théorie de la formation des grandes structures cosmiques, ou comment les toutes petites fluctuations de température du fond diffus cosmologique résiduelles doivent ensuite évoluer pour donner les amas de galaxies et les grands vides qui sont observés aujourd'hui dans l’Univers local.


Mais Peebles a également apporté des contributions importantes à la théorie de l’inflation cosmique au début des années 1980, en lien direct avec la problématique de la constante cosmologique, plus tard appelée énergie noire et devenue observable en 1998 par une accélération de l'expansion.

James Peebles est réellement un des grands noms, pour ne pas dire un des pères de la cosmologie moderne, une cosmologie réellement « physique », une science devenue grâce à lui précise et non qualitative. On peut dire que James Peebles a grandement contribué à transformer la cosmologie en la rendant respectable en tant que science à part entière, avec des observables prédictibles quand elle n’était encore qu’un champ très spéculatif.
Peebles a publié trois livres qui sont devenus des références incontournables pour tous les cosmologistes : Physical Cosmology (1971), Large Scale Structure of the Universe (1980) et Principles of Physical Cosmology (1993).

Ce n’est sans doute pas un hasard si le mot « cosmology » apparaît déjà dans son tout premier article publié en 1962 dans Physical Review, écrit avec son directeur de thèse Robert Dicke : « Cosmology and the radioactive decay ages of terrestrial rocks and meteorites » où il démontrait qu’une variation de la constante fondamentale de structure fine en fonction de l’interaction gravitationnelle devrait avoir des effets mesurables sur les datations isotopiques de différents objets astrophysiques, qui n’étaient pas observés, lui permettant de fixer ainsi des limites.
Son dernier article en date est paru en mai 2019 dans le volume 51 de General Relativity and Gravitation, où il fait un éditorial pour rendre hommage à son mentor Robert Dicke, le grand spécialiste de la gravitation relativiste dans les années 1950.
L’article scientifique de James Peebles le plus cité date de 2003 (2802 citations), c’est une synthèse (ce qu'on appelle une review) publiée dans Reviews of Modern Physics qui s’intitule sobrement « The cosmological constant and dark energy ». Qui de mieux placé pour faire cette synthèse ? Avec James Peebles, c'est le modèle standard cosmologique 𝛬CDM qui est nobélisé...


Illustrations

1) James Peebles (Princeton University)

2) Le fond diffus cosmologique enregistré par Planck (ESA)